利用基因組發掘技術指導鏈霉菌SH—62中活性天然產物的分離及鑒定

魯洲　周俊　何璟

摘要：通過生物信息學分析，利用基因組發掘技術發現鏈霉菌SH-62基因組中至少含有37個次級代謝產物的生物合成基因簇，除了有4個基因簇分別與已知的腸道菌素、潮霉素A、尼日利亞菌素和格爾德霉素的生物合成基因簇具有高度同源性以外，其他基因簇的功能鮮見報道。在不同發酵培養基上培養鏈霉菌SH-62，利用高分辨率的LC-MS對發酵產物進行分析，發現鏈霉菌SH-62確實能夠產生腸道菌素、潮霉素A和尼日利亞菌素，從而證明了基因組發掘策略確實能夠指導代謝產物的分離及鑒定。

關鍵詞：鏈霉菌SH-62；基因組發掘；生物合成基因簇；天然產物

鏈霉菌是主要的抗生素產生菌，它所產生的抗生素約占已知抗生素的56%。鏈霉菌活性天然產物中大部分容易分離的已經得到鑒定。傳統的基于生物活性篩選新型天然產物的方法，由于其低效性和盲目性，使得天然產物的開發遭遇了瓶頸。過去20年中，美國食品和藥物管理局（FDA）每年批準生產抗生素的數量均有下降。另一方面，現有抗生素的耐藥性病菌的出現及擴散，迫使研究人員尋找新的篩選方法來獲得更多更新的藥物以應對危機。

隨著測序技術的快速發展和測序價格的大幅下降，越來越多的微生物基因組得到了測序。目前，登錄NcBI Genomes數據庫的細菌基因組有5 451個，鏈霉菌基因組有177個。同時，功能越來越強大的生物信息學軟件也相繼出現，不僅可以分析基因組中可能存在的次級代謝產物生物合成基因簇，而且能夠預測一些聚酮類、非核糖體多肽類、吲哚生物堿類、萜類以及羊毛硫肽類天然產物的核心結構。眾多的鏈霉菌基因組的生物信息學分析表明，單一基因組就能夠攜帶超過30個次級代謝產物的基因簇，因而鏈霉菌屬合成天然產物的潛力還遠遠沒有得到充分利用。近年來，人們通過對微生物基因組信息進行分析有目的地發掘新型天然產物的策略，即基因組發掘（Genome mining）應運而生，并且可能成為解決抗生素危機的有效方法之一。

鏈霉菌SH-62是華中農業大學周放教授于1987年從湖北房縣土壤中分離得到的一株吸水鏈霉菌。該鏈霉菌擁有良好的生物活性，不僅對枯草芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌等革蘭氏陽性菌有很好的抗菌效果，而且對啤酒酵母、卡爾斯伯酵母、擲孢酵母、黃曲霉、匐枝根霉以及多種植物病原真菌有良好的拮抗作用。通過基因組掃描和生物信息學分析，發現該鏈霉菌基因組中含有至少37個天然產物的生物合成基因簇，其中18個為聚酮合酶（PKS）和/或非核糖體多肽合成酶（NRPS）基因簇。絕大多數基因簇都是新穎獨特的，具有合成新型天然產物的潛力。本試驗通過研究鏈霉菌SH-62基因組中一些假定的生物合成基因簇和其對應產物之間的相關性，驗證利用基因組發掘策略指導鏈霉菌SH-62天然產物分離的可行性，為后期基因組發掘技術在開發新型活性天然產物中的廣泛應用奠定基礎。