Ficellomycin的生物合成及组合生物合成研究

Ficellomycin produced by Streptomyces ficellus represents a two peptide-like antibiotic, which shows high activities against P. oxcicum and S. aureus including strains resistant to most clinically used antibiotics. Investigations of the mode of action of ficellomycin have shown that the agent selectively impair semiconservative DNA replication and cause the accumulation of deficient okazaki pieces, which lack the capability to be further integrated into larger DNA fragments. As for the special action mode of ficellomycin, it has large potential for developing novel antibiotics especially for some antitumor drugs with low toxicity and fewer side-effects. In this study, the whole gene cluster involved in ficellomycin biosynthesis will be isolated and functionally characterized. Its biosynthetic pathway will also be unraveled. We will address the subsequent use of this information for the development of novel ficellomycin derivatives through combinatorial biosynthesis as well as for the improvement of production titres. The utilization of combinatorial biosynthesis will become an important approach for developing novel drugs through available microorganism.

Ficellomycin是从放线菌Streptomyces ficellus的发酵产物中分离得到的一种类二肽化合物。该化合物具有良好的抗金黄色葡萄球菌（包括各种耐药性菌株）以及抗青霉菌活性，作用机理非常独特，该物质可作用于DNA半保留复制过程中所形成的冈崎片段，使其不能进一步拼接为完整的染色体DNA，而对于细胞中的其它正常代谢活动则不会产生影响，因此在新型抗生素，特别是新型低毒抗肿瘤药物的开发方面具有很大的潜力。本研究将首次对Ficellomycin的生物合成基因簇进行分离和功能鉴定，并对Ficellomycin的生物合成代谢途径进行深入细致的研究。在此基础上对Ficellomycin的合成代谢途径进行有目的的遗传学修饰和改造，以获得具有良好成药前景的Ficellomycin结构衍生物,并进一步提高Ficellomycin的发酵产量，实现利用现代生物技术手段在微生物体内进行药物研发的目的

非昔罗霉素（Ficellomycin）是从细绳链霉菌（Streptomyces ficellus NRRL8067）发酵产物中分离得到的一种类二肽化合物，对金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌以及部分真菌具有良好的抑制活性。非昔罗霉素作用机制独特，主要作用于DNA半保留复制过程中的冈崎片段，使其不能进一步拼接成完整的染色体DNA，从而抑制细胞的分裂，但对细胞其它生理代谢活动没有影响，因此非昔罗霉素在新型低毒抗生素药物的研发方面具有很大的潜力。近年来，非昔罗霉素以其独特的结构和作用机制得到了广泛的关注，国际上多家实验室试图通过化学合成的方式获得非昔罗霉素，但均未成功。本研究则重点对非昔罗霉素的生物合成方式进行了深入研究。首先根据非昔罗霉素的结构特征，对已构建的S. ficellus NRRL8067基因文库进行了筛选。通过基因阻断及回补实验确定了与非昔罗霉素生物合成相关的部分基因，并采用染色体步移等方式，最终获得了一段65.9 kb的连续DNA片段。非昔罗霉素的生物合成基因簇则位于其中一段30 kb的DNA区域，共包含26个开放性阅读框（fic11-fic36）。主要编码参与二肽化合物组装的非核糖体多肽合酶（Fic31）、参与稀有氨基酸生物合成的转酮醇酶（Fic23、Fic24）、N-乙酰-鸟氨酸/N-乙酰-赖氨酸脱乙酰酶（Fic30），参与胍基合成的转氨酶（Fic25）、脒基转移酶（Fic36），参与Aziridine氮杂环生物合成的Sulfate adenylyltransferase（Fic17、Fic18）、Adenylsulfate kinase（Fic19）、Sulfotransferase（Fic28），以及与非昔罗霉素跨膜转运相关的ABC转运蛋白（Fic11）、AtrA蛋白（Fic12）等。最终通过研究这些酶的生物合成功能，确定了非昔罗霉素的生物合成方式。同时，还通过基因阻断实验获得了一系列Ficellomycin结构类似物。该研究首次获得并公布了非昔罗霉素生物合成基因簇，并首次提出了非昔罗霉素的生物合成方式以及重要功能基团Aziridine的生物合成机制。为通过基因工程手段进一步提高该抗生素的发酵产量提供了理论依据。同时还为获得更多的具有更好生物活性的非昔罗霉素结构衍生物奠定了基础。

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