放線菌在抗生素生產中的應用

管寧　河南醫藥技師學院

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放線菌在抗生素生產中的應用

管寧河南醫藥技師學院

摘要：放線菌在抗生素生產中具有調節作用，可以利用放線菌的基因組來控制抗生素生物合成基因的轉錄。在遺傳學上，對于Mr＜1000的分子需要10至50個基因來編碼，而每個抗生素生物合成基因簇約占放線菌基因組的1%，且具有多個不連續的基因簇，每個基因簇又合成各自的抗生素。因此，探討放線菌在抗生素生產中的應用，需要從正負調控機制來分析。

關鍵詞：放線菌抗生素生產調控機制

抗生素合成基因簇多位于放線菌的基因組中，在抗生素生產中除了酶類基因，也受到放線菌自身抗性的影響。調節基因是具有識別性的基因簇，如灰色鏈霉菌中的鏈霉素基因簇，既有調節基因，又有抗性決定子；而對于弗氏鏈霉菌在合成泰樂菌素時，卻需要三個抗性基因和五個調節基因。盡管調節基因與生物合成并非存在同一基因簇，如糖多孢菌不含紅霉素合成基因簇的調節子，也沒有其他基因，而泰樂菌素在合成時則需要同源基因。

一、放線菌的正向調節機制

抗生素生產中由于受到級聯調節的制約，會激活其他被隱藏的啟動子，并成為轉錄抗生素合成的操縱子，來調節其代謝。DNA測序技術利用途徑特異性調節蛋白家族“SARPs”，來推測氨基酸序列，如Act IIORF4和Red D，以及Dnr I。SARPs具有途徑專一性調節作用，并能夠滅活各自對應調節基因在抗生素中的合成。我們可以通過DNA片段的克隆功能，來提升抗生素生產水平。由此可見，對于SARPs的途徑特異性，適應于對傳統菌種的改良，尤其是專一性調節基因的自我克隆，更具有顯著的效果。在整個抗生素生物合成基因簇中，對于每個調節蛋白，可以通過轉錄分析，來鑒定啟動子，并通過DNA互補技術來激活。如actII-ORF4基因能夠控制act生物的合成轉錄；同樣，對于波賽鏈霉菌dnrI基因，同樣可以控制dnr基因簇的轉錄。在這些基因簇中，每個蛋白至少結合在兩個點上，且形成不同的啟動子對；而對于啟動子來說，由于整個鏈霉素合成基因在轉錄中受到strR基因的控制，因此可以通過啟動子來調節合成。在工業抗生素生產上采用多效調節，在不產抗生素的突變菌株中，多途徑中的功能蛋白，讓突變株失去產孢子能力。這種級聯調控要比途徑專一性調控層次高，也就是說，細胞外誘發細胞內的反應，能夠實現對抗生素的生產調節。針對泰樂菌素的合成，弗氏鏈霉菌作為正調節基因，顯然與產碳霉素的耐熱鏈霉菌有關，其中tylS基因簇與大環內酯類抗生素有關；當tylT基因失去活性，泰樂菌素仍然合成，只是合成量降低，可見，對于泰樂菌素來說，并非是單生物合成途徑有關的SARPs。同樣，tyLR在tyl基因簇中的調節作用上，一方面作為調節基因存在，但并未與抗生素合成表現出較大關聯度；另一方面，通過tylR的活化作用，tylS促進了tylU的表達，而tylS 與tulU蛋白又共同促進了tylR的產生。

二、放線菌的負向調節機制

在灰色鏈霉菌合成中，A-因子介導是在級聯調節下完成的，其過程由誘導物來激活adpA，而adpA通過阻遏作用來實現。也就是說，對于灰色鏈霉菌，A-因子是受體，而ArpA蛋白作為多重調節基因，主要通過觸發次級代謝來形成。以泰樂菌素生產為例，對于tylQ是tylR的阻遏物，利用野生型弗氏鏈霉菌tyl基因簇進行反轉錄PCR分析，可知tylQ基因被激活，但在泰樂菌素合成中處于沉默狀態。我們在實驗分析中發現，tylQ菌株不產生泰樂菌素，然而tylQ和tylR在轉錄物中并未檢測到。利用tylQ來提升泰樂菌素的產量已經產業化，它能夠從調節基因上來改變單個氨基酸殘基，并從抑制典型基序的下游螺旋區中組氨酸向谷氨酰胺的轉換。因此，通過破壞tylQ，促進了tylR的過度表達，也提升了泰樂菌素的產出率。顯然，通過對tylP控制tylQ，發現GB-結合蛋白靶標位點的特征，在這個研究基礎上，可以通過可靠靶標位點與FarA的自調節結合位點進行識別。以淡青紫鏈霉菌的工程菌株為例，tylP對tylP和tylQ具有抑制作用，由于tylP和tylQ本身具有“PARE”序列，也受到tylS啟動子的影響，因此，從tylP對tylQ的控制性上，一方面對tylS進行抑制，另一方面通過tylP的自調節作用來完成。也就是說，在泰樂菌素生產中，各過程的進行是不完整的，tylS在生產調節模式中的作用，可能是正相關，也可能是負相關。盡管tylS含量會增加，但并不能推測，tylP對tylQ產生抑制作用。

三、結語

從抗生素生產控制來看，對于tylP作為調節多基因，與其他天然鏈霉菌一樣，對同源結合蛋白合成的影響需要進行再驗證。現在來看，在灰色鏈霉菌生產中，ArpA作為單個靶啟動子，而對于GB-結合蛋白，對抗生素的生產是否有別的影響。我們通過對抗生素合成期間各調節單元之間的關系進行探討，可以得出基本結論。抗生素生產過程中，各基因組可能依據各自的調節階段，共同參與到抗生素的合成中，至于各基因組在具體形成及相互作用中的變化，更需要從詳細的試驗中來梳理。

參考文獻：

[1]Miaomiao Liu,Yu Zhang,Ran Ding,Yingxin Gao,Min Yang.Response of activated sludge to the treatment of oxytetracycline production waste stream[J]. Applied Microbiology and Biotechnology . 2013 (19).

[2]李增波,薛泉宏,梁軍鋒.利用放線菌固態發酵生產農用抗生素的初步研究[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版). 2005(08).