Structure and biosynthesis of carotenoids produced by a novel Planococcus sp. isolated from South Africa
- 作者
- Anesu Conrad Moyo, Laurent Dufosse, Daniele Giuffrida, Leonardo Joaquim van Zyl, Marla Trindade
- 单位
- Institute for Microbial Biotechnology and Metagenomics (IMBM), Department of Biotechnology, University of the Western Cape; BioCiTI Laboratory; Chemistry and Biotechnology of Natural Products, CHEMBIOPRO, ESIROI Agroalimentaire, Université de La Réunion; Universita Degli Studi Di Messina, Dip. B.I.O.M.O.R.F
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2022）
- DOI
- 10.1186/s12934-022-01752-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定Planococcus sp. CP5-4中负责产生橙色色素的C30类胡萝卜素生物合成基因簇，并解析其主要色素产物结构，填补Planococcus属类胡萝卜素生物合成基因簇和产物结构信息缺乏的空白
研究策略
通过甲基磺酸甲酯(MMS)化学诱变获得黄色和无色素突变株，结合全基因组测序和突变株与野生型基因组比较鉴定基因簇；利用antiSMASH和CORASON对Planococcus属类胡萝卜素BGC进行系统发育分析；利用UPLC-MS对皂化和未皂化色素提取物进行分析，解析色素结构
核心内容
本研究以分离自南非的Planococcus sp. CP5-4为对象，旨在鉴定其橙色色素对应的C30类胡萝卜素生物合成基因簇并解析主要色素产物结构。通过甲基磺酸甲酯化学诱变获得黄色和无色素突变株，结合全基因组测序与突变株-野生型基因组比较，鉴定出位于contig 1上长7876 bp的基因簇，包含crtM、crtN、crtNb、crtNc、crtP、gtf2等8个候选基因；无色素突变株缺失146.691 Kb，黄色突变株因3 Kb缺失导致crtP截短。UPLC-MS分析表明，主要色素为甲基5-(6-C17:3)-葡萄糖基-5,6-二氢-apo-4,4'-番茄红酸酯，其未皂化提取物[M+H]+为m/z 871.5715，含有奇数碳多不饱和脂肪酸C17:3；皂化后主要化合物的分子式为C37H52O8（m/z 625.3732）。黄色突变株则积累m/z 435.3269的C30H43O2中间产物。系统发育分析提示Planococcus属可能产生多种新型类胡萝卜素化学型。此外，该菌株可使工业废水蒸发率提高20%。本研究首次报道了Planococcus属的C30类胡萝卜素生物合成基因簇及含奇数碳脂肪酸的复杂色素结构，为该属类胡萝卜素的生物合成研究和工业应用提供了基础。
创新点
首次鉴定Planococcus sp. CP5-4的C30类胡萝卜素生物合成基因簇；发现主要色素为甲基5-(6-C17:3)-葡萄糖基-5,6-二氢-apo-4,4'-番茄红酸酯，含有奇数碳多不饱和脂肪酸C17:3；通过系统发育分析揭示Planococcus属可能产生多种新型类胡萝卜素化学型
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | crtM | 4,4'-diapophytoene synthase (CrtM) | 催化 | 催化两分子法尼基焦磷酸缩合生成4,4'-diapophytoene |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | crtN | 4,4'-diapolycopene desaturase (CrtN) | 催化 | 催化4,4'-diapophytoene脱氢生成4,4'-diapolycopene |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | crtNb | 4,4'-diapolycopene oxygenase (CrtNb) | 催化 | 催化4,4'-diapolycopene加氧生成4,4'-diapolycopen-4-al |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | crtNc | 4,4'-diapolycopen-4-al dehydrogenase (CrtNc) | 催化 | 催化4,4'-diapolycopen-4-al脱氢生成4,4'-diapolycopen-4-oic acid |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | crtP | 4,4'-diaponeurosporene oxygenase (CrtP) | 催化 | 催化4,4'-diaponeurosporene氧化；黄色突变体中该基因截短导致无功能 |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | gtf2 | family 2 glucosyl transferase 2 (Gtf2) | 催化 | 催化葡萄糖基转移，形成葡萄糖基类胡萝卜素 |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | agpat | glycerol acyltransferase (Agpat) | 催化 | 催化脂肪酸酰基转移至葡萄糖基类胡萝卜素，形成脂肪酸酯 |
| Planococcus sp. CP5-4 | C30类胡萝卜素生物合成 | cytochrome P450 hydroxylase | cytochrome P450 hydroxylase | 催化 | 可能参与类胡萝卜素骨架的羟基化修饰 |
| Planococcus sp. CP5-4 | 奇数链脂肪酸生物合成 | methylmalonyl-CoA mutase (large subunit) | methylmalonyl-CoA mutase large subunit | 催化 | 可能参与琥珀酰-CoA转化为丙酰-CoA，为奇数链脂肪酸提供前体 |
| Planococcus sp. CP5-4 | 奇数链脂肪酸生物合成 | methylmalonyl-CoA mutase (small subunit) | methylmalonyl-CoA mutase small subunit | 催化 | 与large subunit形成复合物，参与琥珀酰-CoA转化为丙酰-CoA |
| Planococcus sp. CP5-4 | 奇数链脂肪酸生物合成 | ygfD | YgFD | 催化 | 与甲基丙二酰-CoA变位酶亚基形成复合物，参与丙酰-CoA生成 |
| Planococcus sp. CP5-4 | 不饱和脂肪酸生物合成 | fatty acid desaturase (putative) | putative fatty acid desaturase | 催化 | 可能催化C17:0脂肪酸引入双键生成C17:3 |
关键发现
- Planococcus sp. CP5-4基因组大小为3,488,448 bp，GC含量47.5%，包含3612个预测基因（3469个蛋白编码基因和76个RNA）。非色素突变体缺失146.691 Kb，黄色突变体缺失3 Kb导致crtP截短。鉴定出8个候选基因，其中6个在contig 1上组成7876 bp的BGC。主要色素为甲基5-(6-C17:3)-葡萄糖基-5,6-二氢-apo-4,4'-番茄红酸酯，未皂化提取物中[M+H]+ m/z为871.5715，含C17:3脂肪酸；皂化后主要化合物分子式C37H52O8，m/z
- 3732（计算值625.3737，误差-1.3 ppm）。黄色突变株积累C30H43O2化合物（m/z
- 3269，λmax 451 nm）。此外，该菌可使工业废水蒸发率提高20%
研究结论
通过突变体分离、基因组测序和质谱分析，确定了Planococcus sp. CP5-4中C30类胡萝卜素生物合成基因簇及其主要产物为甲基5-(6-C17:3)-葡萄糖基-5,6-二氢-apo-4,4'-番茄红酸酯。该产物含有奇数碳不饱和脂肪酸，可能有助于维持膜流动性。系统发育分析表明Planococcus属可能产生多种新型类胡萝卜素，为应用提供机会