היגיון, שלבים ניסיוניים, והפוטנציאל של יוסינתזה מוצרים הטבעי Heterologous מציע אריתרומיצין האנטיביוטי הקומפלקס הופק באמצעות<em> א coli</em
Summary
ביוסינתזה Heterologous של אריתרומיצין דרך<em> א coli</em> כולל את השלבים הבאים: 1) הניסיוניים העברה גנטית, 2); וכינון מחדש Heterologous 3) הניתוח של מוצר. כל צעד שיוסבר בהקשר של המוטיבציה, פוטנציאל, ואתגרים בייצור מוצרים טבעיים טיפוליים באמצעות<em> א coli</em> כמארח פונדקאי.
Abstract
הייצור של מוצרים טבעיים Heterologous מורכבים הוא גישה שנועדה לתת מענה מגבלות נוכחיות ואפשרויות עתידיות. התכונה זו שימושית במיוחד עבור תרכובות אלה אשר מחזיקים ערך טיפולי, אך לא יכול להיות מיוצרים במידה מספקת או ירוויח מצורה משופרת של ייצור. הפרוצדורות הכרוכות נחלקות לשלושה מרכיבים: 1) העברה גנטית; 2) כינון מחדש Heterologous; ו3) ניתוח מוצרים. כל רכיב ניסיוני הוא תחת אופטימיזציה מתמדת כדי לעמוד באתגרים ולחזות את ההזדמנויות הקשורות לגישה המתפתחת הזה.
ביוסינתזה Heterologous מתחילה בזיהוי של רצף גנטי האחראי למוצר טבעי בעל ערך. העברת רצף זה למארח Heterologous הוא מסובך בשל מורכבות מסלול biosynthetic והאחראיות ליצירת מוצר. אריתרומיצין האנטיביוטיקה הוא דוגמה טובה. עשרים גנים (ההיקף> 50 KB) נדרש לביוסינתזה סופו של דבר. בנוסף, שלושה מהגנים הללו מקודדים megasynthases אנזימים, רב הדומיין של כל אחד ~ 300 KDA בגודל. חומר גנטי זה חייב להיות מתוכנן והועבר לE. coli לביוסינתזה משוחזרת. השימוש בבידוד PCR, בניית אופרון, פלסמידים רבים cystronic, והפיכת אלקטרו שיתואר בהעברת אריתרומיצין מקבץ גנטי לE. coli.
ברגע שהועבר, א ' תא חיידק חייב לתמוך ביוסינתזה סופו של דבר. תהליך זה גם מאתגר בהתחשב בהבדלים המשמעותיים בין ה coli ומארחים המקוריים ביותר האחראים להיווצרות מוצר טבעית מורכבת. התא חייב לספק מצעים דרושים כדי לתמוך ביוסינתזה ומתואם להביע מקבץ הגנטי הועבר לייצר אנזימים פעילים. במקרה של אריתרומיצין, א ' תא חיידק נאלץ להיות מהונדס כדי לספק את שני מבשרים (יחסי הציבורopionyl-CoA ו( 2S)-methylmalonyl-CoA) דרוש לסינתזה. בנוסף, שינויים גנטיים ברצף, מספר העותק פלסמיד, chaperonin שיתוף ביטוי, שינוי אנזימטי לאחר translational וטמפרטורת תהליך היו נדרשו גם כדי לאפשר אריתרומיצין הסופי היווצרות.
לבסוף, הפקה מוצלחת חייבת להיות מוערכת. לאריתרומיצין מקרה, אנחנו נציג שתי שיטות. הראשון הוא כרומטוגרפיה נוזלית ספקטרומטריית מסה (LC-MS) כדי לאשר ולכמת ייצור. הפעילות הביולוגית של אריתרומיצין גם תאושר על ידי שימוש במבדק שבפעילות האנטיביוטיקה נבדקה נגד subtilis Bacillus. מבחני ההערכה קובע אריתרומיצין ביוסינתזה מE. coli ולהכין את הבמה למאמצים הנדסיים עתידיים לשיפור או לגוון וייצור לייצור תרכובות טבעיות מורכבות חדשות באמצעות הגישה הזאת.
Introduction
אריתרומיצין הוא אנטיביוטיקת polyketide מיוצרת על ידי חיידק האדמה Saccharopolyspora erythraea גראם החיובי, והפקה נוכחית כבר השתפרה באופן הדרגתי ל/ ~ 10 ליטר גרם במשך עשרות שנים של mutagenesis המסורתי ופרוטוקולי סינון ולאחרונה באמצעות תוכניות ייעול תהליך 1-6. אסטרטגיות mutagenesis והקרנה שכיחות בפיתוח מוצרים טבעי לאנטיביוטיקה כתוצאה מקשיים בculturing ו / או גנטי מניפולצית מארחי ייצור מקומיים ובגלל הפעילות אנטיביוטית הזמינה או פנוטיפים צמיחה משופרים כדי לסייע בחירה. במקרה של אריתרומיצין, ש ' erythraea מוגבל על ידי פרופיל צמיחה איטי וחוסר טכניקות מניפולציה גנטיות ישירות יותר (יחסית לאורגניזמים כמו E. coli), ובכך, פוגע שיפורים מהירים בייצור וביוסינתזה של נגזרים חדשים. לאחר שזיהה את בעיות ייצור ונעול diversificatiעל אפשרויות עם תרכובות כמו אריתרומיצין, קהילת המחקר החלה לרדוף את הרעיון של ביוסינתזה Heterologous (איור 1) 7. מאמצים אלה עלו בקנה אחד עם מידע רצף זמין לאריתרומיצין אשכול גנים 8-11. יודגש כי מספר אשכולות רצף מורכב טבעיים מוצר גן התרחב מאוד 12-16, מתן התמריץ להמשך המאמצים ביוסינתזה Heterologous לגשת פוטנציאל מרפא מקודד. כדי לעשות זאת, כינון מחדש Heterologous דורש שמארח החדש לענות על הצרכים של מסלול biosynthetic הספציפי. א coli מספק נוחות טכנית, סט רחב של טכניקות המשתרע-ביולוגיה מולקולריות, ואסטרטגיות הנדסיות מטבוליים ותהליך לפיתוח מוצר. עם זאת, בהשוואה למארחי ייצור מקומיים, E. חיידק אינו תערוכה על אותה הרמה של ייצור מוצר טבעי מורכב. לכן היה ידוע אם E. חיידק יכול לשמש כאפשרות מעשית עבור Heterologous ביוסינתזה מוצר טבעית מורכבת. עם זאת, הנחה הייתה כי ה coli יהיה אורגניזם מארח אידיאלי אם אפשר להשיג ביוסינתזה Heterologous.
עם מטרה זו במוחו, מאמצים ראשוניים החלו לייצר aglycone polyketide 6-deoxyerythronolide B (6dEB) דרך ה coli. עם זאת, א 'יליד חילוף חומרים של חיידק לא יכול לספק רמות ניכרות של propionyl-CoA ומבשרים (2S)-methylmalonyl-CoA דרוש כדי לתמוך ביוסינתזה 6dEB לא יכול המארח החדש לאחר translationally לשנות synthase B deoxyerythronolide (ארן) אנזימים. כדי לתקן את הבעיות הללו, מסלול מטבולים המורכבים מילידים ואנזימי Heterologous נבנה לתוך ה coli כאלה שפרופיונאט האכיל exogenously הוסב intracellularly לpropionyl-CoA ולאחר מכן (2S)-methylmalonyl-CoA; בהנדסה כדי להשלים מסלול זה, גן SFP הונח לתוך הכרומוזום דואר של E. coli BL21 (DE3) לייצר זן חדש נקרא BAP1. אנזים SFP הוא מסוגל transferase phosphopantetheinyl של הצמדת cofactor 4'-phosphopantetheine לאנזימי דבס 17,18. השלושה גני דבס (כל אחד ~ 10 ק"ג) היו מניחים בשני וקטורי ביטוי בנפרד לבחירה המכילים מקדמי T7 מושרים. לאחר התאמת מפתח של טמפרטורה לאחר האינדוקציה (עד 22 מעלות צלזיוס), גני דבס התבטאו מתואם בתוך BAP1 במדינה מסוגלת לייצר 19 6dEB פעילה.
המרדף של אריתרומיצין מלא ביוסינתזה אז החל להשתמש באשכול מקביל גן מMicromonospora megalomicea או מסלול היברידי מורכבים מגנים מס erythraea, ש ' fradiae, וס venezuelae שהפיק ביניים אריתרומיצין C ו 6-deoxyerythromycin D, בהתאמה 20-22. לאחרונה, הקבוצה שלנו האריכה מאמצים אלה על ידי ייצור erythromycin (צורה קלינית הרלוונטית ביותר של אריתרומיצין) דרך ה coli. בניגוד לעבודה קודמת, האסטרטגיה שלנו מתואם הביעה 20 ס המקורי גני erythraea דרוש לביוסינתזה polyketide, ביוסינתזה deoxysugar מצורף, חייטות נוספות, והתנגדות עצמית (איור 2). בסך הכל, 26 גנים (יליד וHeterologous) הונדסו כדי לאפשר א coli כדי לייצר אריתרומיצין בשעת 4 מ"ג / ליטר 23,24. תוצאה זו הוקמה ייצור מלא של מוצר טבעי polyketide מורכב באמצעות ה coli, ומשמש כבסיס למינוף אפשרות הייצור החדש הזה, או לפתוח בחדשים.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים קריטיים ביוסינתזה Heterologous הם נתקלו בכל אחת משלוש הנקודות פרוצדורליים בתהליך: 1) העברה גנטית; 2) כינון מחדש biosynthetic; ו3) ניתוח מוצרים. בעיה בכל שלב תהיה לשבש את המטרה הסופית של הקמת ביוסינתזה Heterologous. אולי היבט המאתגר ביותר של התהליך הוא הקמת ביוסינתזה משוחזרת, מאז זה ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים NIH (AI074224 וGM085323) וNSF (0712019 ו0924699) למימון לתמיכה בפרויקטים המיועדים לביוסינתזה Heterologous.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| PCR machine | Eppendorf | Mastercycler personal | |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher | BP231 | |
| Electroporator | BioRad | Micropulser | |
| IPTG | Fisher | BP1620 | |
| Sodium propionate | Sigma | P1880 | |
| L-arabinose | Sigma | A3256 | |
| Refrigerated Shaker | Thermo Scientific | MaxQ 4000 | |
| Microfuge | Eppendorf | Centrifuge 5415D | |
| pGro7 | Takara | Chaperone Plasmid Set (3340) | |
| pET21, pET28, pCDF-Duet-1 | EMD Chemicals | 69742-3, 69864, 71340 | |
| LC-MS | Applied Biosystems | 3200 Q-Trap | |
| Ethyl acetate | Sigma | 270989 | |
| Methanol | Sigma | 322415 | |
| Vacuum centrifuge | Eppendorf | Concentrator 5301 | |
| Rotary Evaporator | Buchi | R-200 |
References
- Adrio, J. L., Demain, A. L. Genetic improvement of processes yielding microbial products. FEMS Microbiol. Rev. 30, 187-214 (2006).
- Brunker, P., Minas, W., Kallio, P. T., Bailey, J. E. Genetic engineering of an industrial strain of Saccharopolyspora erythraea for stable expression of the Vitreoscilla haemoglobin gene (vhb). Microbiology. 144 (Pt. 9), 2441-2448 (1998).
- Chen, Y., et al. Genetic modulation of the overexpression of tailoring genes eryK and eryG leading to the improvement of erythromycin A purity and production in Saccharopolyspora erythraea fermentation. Appl. Environ. Microbiol. 74, 1820-1828 (2008).
- McGuire, J. M., Bunch, R. L., Anderson, R. C., Boaz, H. E., Flynn, E. H., Powell, H. M., Smith, J. W. “Ilotycin,” a new antibiotic. Antibiot & Chemother. 2, 281-284 (1952).
- Minas, W., Brunker, P., Kallio, P. T., Bailey, J. E. Improved erythromycin production in a genetically engineered industrial strain of Saccharopolyspora erythraea. Biotechnol. Prog. 14, 561-566 (1998).
- Zou, X., Hang, H. F., Chu, J., Zhuang, Y. P., Zhang, S. L. Oxygen uptake rate optimization with nitrogen regulation for erythromycin production and scale-up from 50 L to 372 m3 scale. Bioresour. Technol. 100, 1406-1412 (2009).
- Zhang, H., Boghigian, B. A., Armando, J., Pfeifer, B. A. Methods and options for the heterologous production of complex natural products. Nat. Prod. Rep. 28, 125-151 (2011).
- Cortes, J., Haydock, S. F., Roberts, G. A., Bevitt, D. J., Leadlay, P. F. An unusually large multifunctional polypeptide in the erythromycin-producing polyketide synthase of Saccharopolyspora erythraea. Nature. 348, 176-178 (1990).
- Donadio, S., Staver, M. J., McAlpine, J. B., Swanson, S. J., Katz, L. Modular organization of genes required for complex polyketide biosynthesis. Science. 252, 675-679 (1991).
- Salah-Bey, K., et al. Targeted gene inactivation for the elucidation of deoxysugar biosynthesis in the erythromycin producer Saccharopolyspora erythraea. Mol. Gen. Genet. 257, 542-553 (1998).
- Summers, R. G., et al. Sequencing and mutagenesis of genes from the erythromycin biosynthetic gene cluster of Saccharopolyspora erythraea that are involved in L-mycarose and D-desosamine production. Microbiology. 143, 3251-3262 (1997).
- Corre, C., Challis, G. L. New natural product biosynthetic chemistry discovered by genome mining. Nat. Prod. Rep. 26, 977-986 (2009).
- McAlpine, J. B. Advances in the understanding and use of the genomic base of microbial secondary metabolite biosynthesis for the discovery of new natural products. J. Nat. Prod. 72, 566-572 (2009).
- Nett, M., Ikeda, H., Moore, B. S. Genomic basis for natural product biosynthetic diversity in the actinomycetes. Nat. Prod. Rep. 26, 1362-1384 (2009).
- Oliynyk, M., et al. Complete genome sequence of the erythromycin-producing bacterium Saccharopolyspora erythraea NRRL23338. Nat. Biotechnol. 25, 447-453 (2007).
- Wilkinson, B., Micklefield, J. Mining and engineering natural-product biosynthetic pathways. Nat. Chem. Biol. 3, 379-386 (2007).
- Gokhale, R. S., Tsuji, S. Y., Cane, D. E., Khosla, C. Dissecting and exploiting intermodular communication in polyketide synthases. Science. 284, 482-485 (1999).
- Quadri, L. E., et al. Characterization of Sfp, a Bacillus subtilis phosphopantetheinyl transferase for peptidyl carrier protein domains in peptide synthetases. Biochemistry. 37, 1585-1595 (1998).
- Pfeifer, B. A., Admiraal, S. J., Gramajo, H., Cane, D. E., Khosla, C. Biosynthesis of complex polyketides in a metabolically engineered strain of E. coli. Science. 291, 1790-1792 (2001).
- Lee, H. Y., Khosla, C. Bioassay-guided evolution of glycosylated macrolide antibiotics in Escherichia coli. PLoS Biol. 5, e45 (2007).
- Peiru, S., Menzella, H. G., Rodriguez, E., Carney, J., Gramajo, H. Production of the potent antibacterial polyketide erythromycin C in Escherichia coli. Appl Environ Microbiol. 71, 2539-2547 (2005).
- Peiru, S., Rodriguez, E., Menzella, H. G., Carney, J. R., Gramajo, H. Metabolically engineered Escherichia coli for efficient production of glycosylated natural products. Microbial Biotechnology. 1, 476-486 (2008).
- Zhang, H., Skalina, K., Jiang, M., Pfeifer, B. A. Improved E. coli erythromycin a production through the application of metabolic and bioprocess engineering. Biotechnol. Prog. 28, 292-296 (2012).
- Zhang, H., Wang, Y., Wu, J., Skalina, K., Pfeifer, B. A. Complete biosynthesis of erythromycin A and designed analogs using E. coli as a heterologous host. Chem. Biol. 17, 1232-1240 (2010).
- Kieser, T., Bibb, M. J., Buttner, M. J., Chater, K. F., Hopwood, D. A. . Practical Streptomyces Genetics. , (2000).
