项目名称： 抗生素代谢工程的基础研究

推荐单位： 上海市

项目简介： 项目属微生物学研究领域，受国家自然科学基金委、科技部、上海市和国际科学基金资助，经15年的研究所取得的系统性研究结果。

本研究以多株中国资源特色的、具有化学结构和生物活性多样性的抗生素产生菌遗传操作体系为基础，建立了抗生素代谢工程平台。包括分离到井冈霉素生物合成基因簇，并通过基因异源重组装将井冈霉素必需合成基因浓缩为8个，对2个合成基因进行了详细的功能分析并获得了只积累井冈胺的工程菌；克隆了首例聚醚类抗生素南昌霉素及梅岭霉素等7个聚酮合成基因簇，通过竞争性基因簇的缺失使南昌霉素产量显著提高，阐明了聚醚类释放的独特机制，通过组合生物合成手段获得了脱糖基的南昌霉素新结构衍生物，并证实了糖基对于生物活性的重要性；克隆了首例多烯类抗真菌抗生素杀念菌素的生物合成基因簇，阐明了杀念菌素由模块式聚酮合酶组装合成的分子机理，提出了杀念菌素四个同系物的转换模型，对糖基合成基因进行的定向失活获得8个新结构衍生物。申请了包括国际PCT的14项新基因簇和新抗衍生物结构的发明专利，为我国利用代谢工程实现高产和创新药物提供了模型平台，为抗生素药物的组合生物合成设计提供了宝贵经验，在国际生物技术舞台上充分展示了我国在微生物药学及其相关化学生物学领域的系统创新能力和潜力。

18篇论文发表在Chemistry & Biology、Molecular Microbiology、Natural Product Reports、J of Bacteriology、Appl Env Microbiolog等国际权威杂志上，并多次受邀在重要国际会议和国内外著名研究机构作报告，总影响因子超过80，被Science等众多高影响因子杂志引用159次，其中他引107次，单篇最高他引27次。Science等对首例聚醚类南昌霉素生物合成基因簇、Chemical Reviews对首例多烯类杀念菌素生物合成基因簇、Nature Biotechnology的研究特写专栏的对抗水稻纹枯病井冈霉素生物合成基因簇等进行了深入的引用和评述。部分成果被授予04年度上海市科技进步一等奖或07年教育部自然科学奖二等奖。

主要发现点： (1) 率先在两株链霉菌中克隆了抗水稻纹枯病井冈霉素的生物合成基因簇，并通过生物合成基因的异源重组装和井冈霉素异源产生，将井冈霉素的必需合成基因浓缩为8个，为通过转基因技术获得抗病、抗虫植物提供了全新来源的候选基因；对2个重要的结构基因进行了遗传、生物化学、化学全方位的功能分析，并在此基础上提出了井冈霉素合成新机理；通过高产井冈胺单一组份工程菌株的构建，简化了伏格列波糖等重要井冈霉素衍生物的生产工艺。（学科分类名称：微生物生理学，1806120；十篇代表性论文中的相应论文：第3、8篇）

(2) 克隆了世界上首例聚醚类抗生素南昌霉素生物合成基因簇，并在南昌链霉菌中同时克隆了梅岭霉素等其他7个聚酮生物合成基因簇；通过竞争性基因簇的缺失显著提高了南昌霉素的产量；发现了催化聚酮链级联环化形成聚醚结构的多个功能基因；通过体内遗传学和体外生物化学手段阐明了聚醚类线性分子释放的独特机制，并提出了整个抗生素生物合成组装的分子模型；通过组合生物合成手段获得了脱糖基的南昌霉素新结构衍生物，并证实了糖基对于南昌霉素生物活性的重要性。（学科分类名称：微生物生理学，1806120；十篇代表性论文中的相应论文：第2、5、7篇）

(3) 在国际上克隆了第一例多烯类抗真菌抗生素杀念菌素的长达150kb的生物合成基因簇；阐明了杀念菌素由模块式聚酮合酶组装合成的分子机理；提出了杀念菌素四个同系物化学结构与蛋白功能之间的转换模型；对糖基合成基因进行了定向失活，获得8个新结构衍生物。（学科分类名称：微生物生理学，1806120；十篇代表性论文中的相应论文：第1、4篇）

(4) 以化学结构类别和生物活性多样性的抗生素产生菌为对象，系统地建立和发展了它们的遗传操作体系,发展了适应面广、通用性强的系列载--受体系统，己成为代谢工程研究的有效工具。（学科分类名称：微生物生理学，1806120；十篇代表性论文中的相应论文：第1、6、7篇）

主要完成人： 邓子新

该成果立论，全面主持、组织、试验设计、课题实施、合作协调、论文撰写和项目总结。在所有的发现点都做出了创造性贡献，是多烯大环内酯抗生素杀念菌素模块式聚酮合酶基因簇最早克隆的的主要贡献者。是聚酮合酶上聚醚链形成和释放的机制以及整个抗生素生物合成组装等分子理论模型的总设计者。发展了井冈霉素产生菌的遗传操作系统并获得了井冈霉素高产衍生菌株。在该项研究中的工作量占本人工作量的60％。

白林泉

在第1、3发现点做出了创造性贡献。负责井冈霉素研究课题具体研究任务的分工、实验设计、实验指导、数据整理和论文书写。完成了整个井冈霉素生物合成基因簇的序列测定和功能预测。实现了井冈霉素和井冈胺在异源宿主中的表达。提出了井冈霉素生物合成的新途径。参与杀念菌素不同组份之间转换机理的提出。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的70%。

周秀芬

在所有发现点都做出了创造性贡献。负责抗生素代谢工程平台建设支撑技术的发展并具体实施以多株不同类别抗生素产生菌基因克隆体系为基础来发展适应面广、通用性强的质粒、噬菌体载-受体系统，使之成为放线菌分子遗传学和基因工程基础和应用研究的有效工具。同时是杀念菌素和井冈霉素克隆和早期分析鉴定的主要贡献者。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的50%。

孙宇辉

在第2、4发现点做出了创造性贡献。主要从事南昌链霉菌抗生素生物合成的遗传基础与分子机理以及抗生素的组合生物学研究。克隆出八个聚酮化合物基因簇及其一系列与抗生素生物合成、代谢调控有关的因子，提出了国际上首例聚醚类离子载体抗生素---南昌霉素生物合成基因簇的结构组成、聚酮合酶上聚醚链形成和释放的机制以及整个抗生素生物组装合成的模型。这一系列新的发现将大大扩展我们对这类重要生物杀虫剂的认识，以拓展大环内酯、多烯及多醚化合物的结构多样性。此外，还参与了吸水链霉菌10-22中温敏性线形质粒的特性及其线形染色体的物理图谱的相关研究。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的80%。

陈实

在第3发现点做出了创造性贡献。主要从事链霉菌FR-008中多烯类抗生素生物合成的分子机理研究。阐明了烯类抗生素生物合成基因簇-杀念菌素族中的多烯大环内酯是由模块式聚酮合酶来组装合成，还率先揭示了同系物化学结构与蛋白功能之间的转换关系。同时利用分离的抗生素基因簇进行抗生素产率提高和品种改造的遗传工程探索，通过定向基因工程改造获得了新的抗生素衍生化合物，申请了包括国际PCT及中国、法国、日本、韩国等国内外发明专利。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的80%。