A ile Üretilen Kompleksi Antibiyotik Eritromisin Featuring Mantık, Deneysel Merdivenleri ve Heterolog Doğal Ürün biyosentezi Potansiyeli<em> E. coli</em
Summary
Yoluyla eritromisin A heterolog biyosentezi<em> E. coli</em; 2) heterolog sulandırma ve 3) ürün analizi 1) Genetik aktarım:> aşağıdaki deneysel adımları içerir. Her adımı kullanarak tedavi doğal ürünlerin üretiminde motivasyon, potansiyeli ve zorluklar bağlamında ele alınacak<em> E. coli</em> Bir vekil sunucu olarak.
Abstract
Karmaşık doğal ürünlerin heterolog üretimi mevcut sınırlamalar ve gelecekteki olanakları yönelik olarak tasarlanmış bir yaklaşımdır. Bu, tedavi edici değere sahiptir fakat yeterince üretilmiş ya da üretim geliştirilmiş bir şeklinde yararlanacak edilemeyen bileşikler için özellikle yararlıdır. ; 2) heterolog sulandırma ve 3) ürün analizi 1) gen transferi: dahil deneysel prosedürleri üç bileşenden ayrılabilir. Her deneysel bileşen zorlukları karşılamak ve yeni ortaya çıkan bu yaklaşım ile ilişkili fırsatları öngörmeye sürekli iyileştirme altında.
Heterolog biyosentez değerli bir doğal ürün sorumlu genetik dizisinin kimliği ile başlar. Heterolog bir host bu sıra aktarma ürünün oluşumundan sorumlu biyosentetik karmaşıklığı nedeniyle karmaşıklaşır. Bir antibiyotik eritromisin iyi bir örnektir. Yirmi gen ()> 50 kb toplam nihai biyosentezi için gereklidir. Buna ek olarak, bu genlerin üç boyutlu olarak megasynthases, çoklu alan enzimlerin her biri ~ 300 kDa kodlamaktadır. Bu genetik materyal olarak tasarlanmış ve E. transfer edilmelidir Sulandırılan biyosentezi için coli. PCR izolasyon, operon yapı, çok-cystronic plazmidler, ve elektro-transformasyon kullanımına E. eritromisin A genetik küme aktarılması olarak tarif edilecektir coli.
Sonra transfer, E. coli hücre nihai biyosentezi desteklemesi gerekir. Bu süreç aynı zamanda E. arasındaki önemli farklılıklar verilir meydan okuduğunu coli ve karmaşık doğal ürün oluşumundan sorumlu en özgün ana. Hücre biyosentezi desteklemek için gerekli ortamlar sağlarlar ve koordineli aktif enzimleri üretmek için aktarılan genetik kümede ifade etmelidir. Eritromisin A, E. halinde coli hücre iki öncüleri (pr sağlamak üzere tasarlanmış olması gerekiyorduopionyl-CoA ve (2S)-metilmalonil-CoA) biyosentezi için gereklidir. Buna ek olarak, gen sekans değişiklikleri, plazmit kopya sayısı, chaperonin birlikte ekspresyonu, post-translasyonel enzimatik modifikasyon ve işlem sıcaklığının aynı zamanda nihai eritromisin A oluşumuna izin vermek için gerekli idi.
Son olarak, başarılı üretim değerlendirilmelidir. Eritromisin bir olgu için, iki yöntem sunacak. İlk sıvı kromatografi-kütle spektrometresi (LC-MS) üretim onaylamak ve ölçümüdür. Eritromisin A biyoaktivitesi de antibiyotik aktivite Bacillus subtilis karşı test edildiği bir biyo-analizi kullanımı yoluyla teyit edilecektir. E. eritromisin kurmak değerlendirme deneyleri A biyosentezi üretimi artırmak veya çeşitlendirmek için gelecek mühendislik çalışmaları için ve bu yaklaşımı kullanarak yeni kompleks doğal bileşiklerin üretimi için sahne coli ve ayarlayın.
Introduction
Eritromisin A Gram pozitif toprak bakterisi Saccharopolyspora Eritre tarafından üretilen bir poliketid antibiyotik ve mevcut üretim aşamalı geleneksel mutagenez ve tarama protokolleri on yıllar boyunca ve daha yakın proses optimizasyonu düzenleri 1-6 yoluyla ~ 10 g / L için geliştirilmiştir. Mutagenezi ve tarama stratejileri kültür ve / zorluklar sonucu veya genetik olarak yerli üretim ana manipüle ve çünkü hazır antibiyotik etkinlik veya seçimle yardım etmek için geliştirilmiş büyüme fenotipleri antibiyotik doğal ürün geliştirme yaygındır. Eritromisin A, S. durumunda, Eritre üretim ve yeni türevleri biyosentezini engellemektedir hızlı gelişmeler, böylece, bir yavaş büyüme profil ve daha doğrudan genetik manipülasyon teknikleri eksikliği (E. coli gibi canlılar için göreli) ile sınırlıdır. Üretim sorunları tanınan ve diversificati kilidi olmasıeritromisin A gibi bileşikler ile olanakları hakkında, araştırma topluluğu heterolog biyosentezi (Şekil 1) 7 fikrini sürdürmeye başladı. Bu çabalar eritromisin A gen kümesi 8-11 kullanılabilir sırası bilgilerinin çakıştı. Bu kodlanmış tıbbi potansiyeline erişmek için heterolog biyosentezinde çabaların sürdürülmesi ivme sağlayarak, sıralı karmaşık doğal ürün gen kümelerinin sayısını büyük ölçüde 12-16 genişletti vurgulanmalıdır. Bunu yapmak için, heterolog sulandırılması yeni konak spesifik biyosentetik ihtiyaçlarını karşılamak gerekir. E. coli teknik kolaylık, moleküler biyoloji teknikleri geniş kapsayan seti, ve ürün geliştirme için metabolik ve proses mühendisliği stratejileri sağlar. Ancak, yerli üretim ana, E. karşılaştırıldığında koli kompleks doğal ürün üretiminin aynı seviyede sergilemez. Bu nedenle bilinmeyen E olsun. coli karmaşık doğal ürün sentezi için uygun bir heterolog seçenek olarak hizmet verebilir. Bununla birlikte, bu kabul edildiği E. heterolog biyosentezi başarılı olabilir eğer coli ideal bir konak organizma olacaktır.
Akılda Bu amaçla, ilk çabaları 6-deoxyerythronolide B (6dEB) E. aracılığıyla poliketid aglikon üretmeye başladı coli. Ancak, yerli E. coli metabolizmasının propiyonil-KoA kayda değer düzeylerde sağlamak olamazdı ve (2S)-metilmalonil-CoA prekürsörlerinin 6dEB biyosentezi desteklemek için de yeni bir konak sonrası Çevrimsel deoxyerythronolide B sentaz (DEBS) enzimler değiştirmek olabilir gerekli. Bu sorunları çözmek için, yerli ve heterolog enzimleri oluşan bir metabolik yolun E. içine inşa edilmiştir Eksojen beslenen propionat (2S)-metilmalonil-CoA sonra propionil-CoA ve dönüştürülmüş hücre içinde olduğu bu coli, bu yolun tamamlamak için mühendislik sırasında, bir sfp gen inci içine yerleştirildiE. e kromozom yeni bir gerginlik üretmek için coli BL21 (DE3) BAP1 adlandırılır. Sfp enzim DEBS enzimler 17,18 için 4'-phosphopantetheine kofaktör bağlamak bir phosphopantetheinyl transferaz yeteneğine sahiptir. Üç DEBS genleri (her biri yaklaşık 10 kb) sonra indüklenebilir T7 arttırıcılar ihtiva eden iki ayrı ayrı ifade vektörleri seçilebilir yerleştirildi. Postindüksiyon sıcaklığı (22 ° C) önemli bir ayardan sonra, DEBS genler koordineli 6dEB 19 üretme yeteneğine sahip bir aktif devlet BAP1 içinde ifade edildi.
Tam eritromisin peşinde bir biyosentezi ardından Micromonospora megalomicea gelen benzer bir gen küme veya S. gelen genlerin oluşan melez bir yolu kullanmaya başladı Eritre, S. fradiae, ve S. sırasıyla ara eritromisin C ve 6-deoxyerythromycin D, 20-22 üretilmiş venezuelae. Son zamanlarda, bizim grup erythrom üreterek bu çabaları genişlettiE. aracılığıyla ycin A (eritromisin klinik olarak en-ilgili formu) coli. Önceki çalışmaları aksine, bizim strateji koordineli 20 orijinal S. ifade Eritre genler poliketid biyosentezi, deoxysugar biyosentezi ve eki, ek terzilik, ve öz-direnci (Şekil 2) için gerekli. Toplamda, 26 (yerli ve heterolog) genleri E. izin geliştirilmişti A 4 mg / L 23,24 Eritromisin de üretmek için coli. Bu sonuç, E. kullanılarak kompleks bir poliketid doğal ürün komple üretim kurulmuş coli ve kaldıraç bu yeni üretim seçeneği veya yenilerini takip için bir temel olarak hizmet vermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
2) biyosentetik sulandırma, ve 3) ürün analizi 1) Genetik aktarım: heterolog biyosentezinde Kritik adımlar sürecinde üç usul noktaların her birinde rastlanır. Herhangi bir aşamada bir sorun heterolog biyosentezi kurulması nihai hedefi rayından olacak. Bu kesinlikle başarılı analizine olanak gerekli olduğundan Belki de sürecin en zor yanı, sulandırılmış biyosentezi kuruyor. Ancak, sulandırma nihai biyosentezi sorumlu genetik materyalin dikkatli bir tasarım ve transferi bağlıdır. Aynı şekilde…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar heterolog biyosentezi adanmış projeleri desteklemek için fon NIH (AI074224 ve GM085323) ve NSF (0712019 ve 0924699) teşekkür ederim.
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).
