谢瓦曲霉Aspergillus chevalieri BYST01中大黄素甲醚的生物合成机制
批准号:
32102272
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张蜀香
依托单位:
学科分类:
生物防治
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张蜀香
中文摘要
大黄素甲醚是主要存在于中药大黄中的天然蒽醌化合物,已被我国自主开发为新型植物源杀菌剂,但大黄中大黄素甲醚含量低,生产成本高。微生物代谢工程技术可以提高代谢产物产量,构建高产大黄素甲醚工程菌株具有重要意义。申请人前期从黑翅土白蚁肠道中发现一株高产大黄素甲醚(28 mg/L)真菌谢瓦曲霉Aspergillus chevalieri BYST01,并通过基因组分析获得参与大黄素甲醚生物合成的候选基因。在此基础上,本项目拟通过米曲霉真核异源表达体系验证大黄素甲醚生物合成通路;利用原核异源表达和酶活性分析等方法,研究关键酶的体外催化功能;进一步通过基因敲除技术,挖掘出合成基因簇中影响大黄素甲醚含量积累的其它基因。项目的实施将明确大黄素甲醚的生物合成途径,为BYST01菌中大黄素甲醚产量的提高奠定一定的基础,具有潜在的经济和社会效益。
英文摘要
Physcion is a natural anthraquinone, which is mainly found in the traditional Chinese medicine materials (Rheum palmatum L). It has been independently developed as a new plant-derived fungicide by our country. However, the physcion from plant materials has high production costs for the low content in R. palmatum. The metabolic engineering technology of microorganisms can greatly increase the yield of their bioactive metabolites. It is of great significance to construct an engineering strain with high physcion yield. In our previous studies, a fungus of Aspergillus chevalieri BYST01 was isolated from the gut of Odontotermes formosanus with a high yield of physcion (28 mg/L). Furthermore, the candidate genes involved in the biosynthesis of physcion were obtained by genome analysis. On this basis, this project intends to verify the biosynthesis pathway of physcion by using the eukaryotic heterologous expression system of Aspergillus oryzae. We will further study the catalytic function of key enzymes in vitro by the methods of prokaryotic heterologous expression and enzyme activity analysis. Finally, other genes that affect the accumulation of physcion in the synthetic gene cluster will be explored through gene knockout technology. The project will clarify the biosynthesis pathway of physcion and lay a foundation for the increase of physcion yield in BYST01. It has potential economic and social benefits.
寻找绿色、安全、有效的新型农用杀菌剂是未来保障农业绿色可持续发展的关键。天然产物是发现新型杀菌剂的重要来源,如大黄素甲醚(physcion)是我国自主开发的新型植物源杀菌剂,具有多种药理活性。但以植物材料获得大黄素甲醚的生产成本过高,因其在植物大黄中含量低、提纯工艺复杂、种植地域受限。如何提高大黄素甲醚的产量,降低生产成本,则是亟需解决的突出问题。.本课题前期对一株高产大黄素甲醚的曲霉属真菌Aspergillus chevalieri BYST01基因组数据分析,发现在T1PKS基因簇上注释到可能参与大黄素生物合成的非还原型聚酮合酶(NRPKS)基因 PhyG 以及 β-内酰胺酶基因PhyF;该基因簇包含编码脱氢酶、P450单加氧酶以及甲基转移酶在内的13个基因。基于此我们对推测的大黄素甲醚基因簇进行验证。.通过真核米曲霉异源表达体系解析了大黄素甲醚生物合成途径,明确了非还原型聚酮合酶(NRPKS)基因PhyG 、β-内酰胺酶基因PhyF以及甲基转移酶基因PhyL负责催化合成大黄素甲醚。PhyG和PhyF基因共表达菌株可以指导前体物质Atrochrysone以及大黄素的合成,而加入甲基转移酶可以大规模改变菌株的代谢谱,生产包括大黄素甲醚在内的多种甲基化产物。在此基础上,综合运用生物信息学分析、半理性设计策略,对甲基转移酶Phy L催化底物大黄素的14个口袋区关键位点进行了点突变,发现Y22A、D23A、Y124A和I182A突变体活性显著降低,进一步对关键残基进行定点饱和突变筛选,获得6个催化活性显著提升的突变体,其中F125Y和V30I突变体活性最为突出,较野生型Phy L分别提高了164%和160%。进一步对基因簇中其他基因进行功能验证,发现P450基因PhyE可以二聚化大黄素、大黄素甲醚,同时也可以形成大黄素—大黄素甲醚二聚化产物,实现代谢分流。通过对转化菌株代谢产物的鉴定和定量分析,结果表明在该途径中,生成大量的中间产物Atrochrysone(1.36g/L)以及甲基转移酶催化其生成副产物Torosachrysone (0.34g/L),从而使大黄素甲醚的产量受到了限制。.上述研究结果有力地推动了大黄素甲醚微生物源合成的基础理论研究,为构建大黄素甲醚微生物合成工厂建立了实践基础。项目执行期内已发表SCI论文4篇,培养硕士研究生3人。
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