PNAS：新型基因操作平台发现新型天然抗生素

加州大学的科学家们开发了新型基因操作平台，直接克隆、重构和异源表达了一个沉默的生物合成通路，获得了新型抗生素taromycin A。这一技术为开发天然药用化合物开辟了新的途径。相关文章发表于2014年1月21日的《PNAS》杂志上。

领导这项研究的Bradley S. Moore博士指出，这是一种“即插即用”的基因操作技术，可以用来激活未知的生物合成通路，生成有药用价值的天然产物。

“我们利用这一合成生物学技术，在一种海洋微生物中发现了新抗生素。这一次只是小试牛刀，我们的平台还有更为广泛的应用潜力，”Moore说

地球表面的70%是海洋，海洋中拥有丰富的微生物资源。随着二代测序技术的发展，人们认识到，微生物基因组是开发天然药用化合物的丰富资源。这类化合物可以帮助人们治疗感染、癌症和其他重要的疾病。举例来说，绝大多数的天然抗生素，是微生物基因组产出的复杂分子。但海洋微生物往往难以在实验室中培养，而且难以大量生产人们需要的产物。

加州大学的科学家们在海洋细菌中，发现了一组可能编码天然产物的基因，并利用合成生物学技术得到了一种全新的抗生素。研究显示，这些抗生素能够有效攻击耐药的MRSA。

“抗生素抗性是公共健康事业面临的一大挑战。目前，绝大多数抗生素药物(例如青霉素)，是分离自土壤或雨林微生物的天然分子，是微生物进行生存竞争所用的武器，”参与这项研究的Victor Nizet教授说。

微生物的基因组能够合成大量的特殊化合物，但人们目前还缺乏将基因与特殊分子关联起来的有效方法。为此，加州大学的研究人员在TAR(transformation-associated recombination)克隆的基础上开发了一个基因操作平台，TAR克隆能够通过同源重组直接捕获基因组中的大基因座。研究指出，这一技术可以根据未知基因簇有效生产天然分子。

研究人员将这一技术用于一种海洋微生物的taromycin基因簇，该基因簇与达托霉素(daptomycin)的生物合成通路非常相似。达托霉素是一种被批准用于临床的抗生素，可以治疗多重耐药菌造成的感染。“这一技术能够帮助人们挖掘无数神秘微生物的药物研发潜力，”Nizet总结道。

原文摘要：

Direct cloning and refactoring of a silent lipopeptide biosynthetic gene cluster yields the antibiotic taromycin A

K. Yamanaka, K. A. Reynolds, R. D. Kersten, K. S. Ryan, D. J. Gonzalez, V. Nizet, P. C. Dorrestein, B. S. Moore

Recent developments in next-generation sequencing technologies have brought recognition of microbial genomes as a rich resource for novel natural product discovery. However, owing to the scarcity of efficient procedures to connect genes to molecules, only a small fraction of secondary metabolomes have been investigated to date. Transformation-associated recombination (TAR) cloning takes advantage of the natural in vivo homologous recombination of Saccharomyces cerevisiae to directly capture large genomic loci. Here we report a TAR-based genetic platform that allows us to directly clone, refactor, and heterologously express a silent biosynthetic pathway to yield a new antibiotic. With this method, which involves regulatory gene remodeling, we successfully expressed a 67-kb nonribosomal peptide synthetase biosynthetic gene cluster from the marine actinomycete Saccharomonospora sp. CNQ-490 and produced the dichlorinated lipopeptide antibiotic taromycin A in the model expression host Streptomyces coelicolor. The taromycin gene cluster (tar) is highly similar to the clinically approved antibiotic daptomycin from Streptomyces roseosporus, but has notable structural differences in three amino acid residues and the lipid side chain. With the activation of thetar gene cluster and production of taromycin A, this study highlights a unique “plug-and-play” approach to efficiently gaining access to orphan pathways that may open avenues for novel natural product discoveries and drug development.

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