項目名稱： 抗生素代謝工程的基礎研究

推薦單位： 上海市

項目簡介： 項目屬微生物學研究領域，受國家自然科學基金委、科技部、上海市和國際科學基金資助，經(jīng)15年的研究所取得的系統(tǒng)性研究結(jié)果。

本研究以多株中國資源特色的、具有化學結(jié)構(gòu)和生物活性多樣性的抗生素產(chǎn)生菌遺傳操作體系為基礎，建立了抗生素代謝工程平臺。包括分離到井岡霉素生物合成基因簇，并通過基因異源重組裝將井岡霉素必需合成基因濃縮為8個，對2個合成基因進行了詳細的功能分析并獲得了只積累井岡胺的工程菌；克隆了首例聚醚類抗生素南昌霉素及梅嶺霉素等7個聚酮合成基因簇，通過競爭性基因簇的缺失使南昌霉素產(chǎn)量顯著提高，闡明了聚醚類釋放的獨特機制，通過組合生物合成手段獲得了脫糖基的南昌霉素新結(jié)構(gòu)衍生物，并證實了糖基對于生物活性的重要性；克隆了首例多烯類抗真菌抗生素殺念菌素的生物合成基因簇，闡明了殺念菌素由模塊式聚酮合酶組裝合成的分子機理，提出了殺念菌素四個同系物的轉(zhuǎn)換模型，對糖基合成基因進行的定向失活獲得8個新結(jié)構(gòu)衍生物。申請了包括國際PCT的14項新基因簇和新抗衍生物結(jié)構(gòu)的發(fā)明專利，為我國利用代謝工程實現(xiàn)高產(chǎn)和創(chuàng)新藥物提供了模型平臺，為抗生素藥物的組合生物合成設計提供了寶貴經(jīng)驗，在國際生物技術舞臺上充分展示了我國在微生物藥學及其相關化學生物學領域的系統(tǒng)創(chuàng)新能力和潛力。

18篇論文發(fā)表在Chemistry & Biology、Molecular Microbiology、Natural Product Reports、J of Bacteriology、Appl Env Microbiolog等國際權(quán)威雜志上，并多次受邀在重要國際會議和國內(nèi)外著名研究機構(gòu)作報告，總影響因子超過80，被Science等眾多高影響因子雜志引用159次，其中他引107次，單篇最高他引27次。Science等對首例聚醚類南昌霉素生物合成基因簇、Chemical Reviews對首例多烯類殺念菌素生物合成基因簇、Nature Biotechnology的研究特寫專欄的對抗水稻紋枯病井岡霉素生物合成基因簇等進行了深入的引用和評述。部分成果被授予04年度上海市科技進步一等獎或07年教育部自然科學獎二等獎。

主要發(fā)現(xiàn)點： (1) 率先在兩株鏈霉菌中克隆了抗水稻紋枯病井岡霉素的生物合成基因簇，并通過生物合成基因的異源重組裝和井岡霉素異源產(chǎn)生，將井岡霉素的必需合成基因濃縮為8個，為通過轉(zhuǎn)基因技術獲得抗病、抗蟲植物提供了全新來源的候選基因；對2個重要的結(jié)構(gòu)基因進行了遺傳、生物化學、化學全方位的功能分析，并在此基礎上提出了井岡霉素合成新機理；通過高產(chǎn)井岡胺單一組份工程菌株的構(gòu)建，簡化了伏格列波糖等重要井岡霉素衍生物的生產(chǎn)工藝。（學科分類名稱：微生物生理學，1806120；十篇代表性論文中的相應論文：第3、8篇）

(2) 克隆了世界上首例聚醚類抗生素南昌霉素生物合成基因簇，并在南昌鏈霉菌中同時克隆了梅嶺霉素等其他7個聚酮生物合成基因簇；通過競爭性基因簇的缺失顯著提高了南昌霉素的產(chǎn)量；發(fā)現(xiàn)了催化聚酮鏈級聯(lián)環(huán)化形成聚醚結(jié)構(gòu)的多個功能基因；通過體內(nèi)遺傳學和體外生物化學手段闡明了聚醚類線性分子釋放的獨特機制，并提出了整個抗生素生物合成組裝的分子模型；通過組合生物合成手段獲得了脫糖基的南昌霉素新結(jié)構(gòu)衍生物，并證實了糖基對于南昌霉素生物活性的重要性。（學科分類名稱：微生物生理學，1806120；十篇代表性論文中的相應論文：第2、5、7篇）

(3) 在國際上克隆了第一例多烯類抗真菌抗生素殺念菌素的長達150kb的生物合成基因簇；闡明了殺念菌素由模塊式聚酮合酶組裝合成的分子機理；提出了殺念菌素四個同系物化學結(jié)構(gòu)與蛋白功能之間的轉(zhuǎn)換模型；對糖基合成基因進行了定向失活，獲得8個新結(jié)構(gòu)衍生物。（學科分類名稱：微生物生理學，1806120；十篇代表性論文中的相應論文：第1、4篇）

(4) 以化學結(jié)構(gòu)類別和生物活性多樣性的抗生素產(chǎn)生菌為對象，系統(tǒng)地建立和發(fā)展了它們的遺傳操作體系,發(fā)展了適應面廣、通用性強的系列載--受體系統(tǒng)，己成為代謝工程研究的有效工具。（學科分類名稱：微生物生理學，1806120；十篇代表性論文中的相應論文：第1、6、7篇）

主要完成人： 鄧子新

該成果立論，全面主持、組織、試驗設計、課題實施、合作協(xié)調(diào)、論文撰寫和項目總結(jié)。在所有的發(fā)現(xiàn)點都做出了創(chuàng)造性貢獻，是多烯大環(huán)內(nèi)酯抗生素殺念菌素模塊式聚酮合酶基因簇最早克隆的的主要貢獻者。是聚酮合酶上聚醚鏈形成和釋放的機制以及整個抗生素生物合成組裝等分子理論模型的總設計者。發(fā)展了井岡霉素產(chǎn)生菌的遺傳操作系統(tǒng)并獲得了井岡霉素高產(chǎn)衍生菌株。在該項研究中的工作量占本人工作量的60％。

白林泉

在第1、3發(fā)現(xiàn)點做出了創(chuàng)造性貢獻。負責井岡霉素研究課題具體研究任務的分工、實驗設計、實驗指導、數(shù)據(jù)整理和論文書寫。完成了整個井岡霉素生物合成基因簇的序列測定和功能預測。實現(xiàn)了井岡霉素和井岡胺在異源宿主中的表達。提出了井岡霉素生物合成的新途徑。參與殺念菌素不同組份之間轉(zhuǎn)換機理的提出。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的70%。

周秀芬

在所有發(fā)現(xiàn)點都做出了創(chuàng)造性貢獻。負責抗生素代謝工程平臺建設支撐技術的發(fā)展并具體實施以多株不同類別抗生素產(chǎn)生菌基因克隆體系為基礎來發(fā)展適應面廣、通用性強的質(zhì)粒、噬菌體載-受體系統(tǒng)，使之成為放線菌分子遺傳學和基因工程基礎和應用研究的有效工具。同時是殺念菌素和井岡霉素克隆和早期分析鑒定的主要貢獻者。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的50%。

孫宇輝

在第2、4發(fā)現(xiàn)點做出了創(chuàng)造性貢獻。主要從事南昌鏈霉菌抗生素生物合成的遺傳基礎與分子機理以及抗生素的組合生物學研究�？寺〕霭藗�聚酮化合物基因簇及其一系列與抗生素生物合成、代謝調(diào)控有關的因子，提出了國際上首例聚醚類離子載體抗生素---南昌霉素生物合成基因簇的結(jié)構(gòu)組成、聚酮合酶上聚醚鏈形成和釋放的機制以及整個抗生素生物組裝合成的模型。這一系列新的發(fā)現(xiàn)將大大擴展我們對這類重要生物殺蟲劑的認識，以拓展大環(huán)內(nèi)酯、多烯及多醚化合物的結(jié)構(gòu)多樣性。此外，還參與了吸水鏈霉菌10-22中溫敏性線形質(zhì)粒的特性及其線形染色體的物理圖譜的相關研究。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的80%。

陳實

在第3發(fā)現(xiàn)點做出了創(chuàng)造性貢獻。主要從事鏈霉菌FR-008中多烯類抗生素生物合成的分子機理研究。闡明了烯類抗生素生物合成基因簇-殺念菌素族中的多烯大環(huán)內(nèi)酯是由模塊式聚酮合酶來組裝合成，還率先揭示了同系物化學結(jié)構(gòu)與蛋白功能之間的轉(zhuǎn)換關系。同時利用分離的抗生素基因簇進行抗生素產(chǎn)率提高和品種改造的遺傳工程探索，通過定向基因工程改造獲得了新的抗生素衍生化合物，申請了包括國際PCT及中國、法國、日本、韓國等國內(nèi)外發(fā)明專利。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的80%。