微生物能夠產生多種活性次級代謝產物，其中一些作為藥物已經廣泛應用，極大地改善了人類的健康。近年來，天然產物藥物研發陷入低潮期，主要問題之一是鏈黴菌、真菌等傳統資源中，新化合物的發現越來越困難。我們必須開發新的微生物資源來促進天然產物藥物研發，以應對耐藥菌等公共健康面臨的新問題。現有的微生物天然產物藥物基本都分離自好氧菌。近年來，隨著基因組測序技術的發展，人們發現在厭氧菌中也存在著豐富的次級代謝產物生物合成基因簇（BGCs），包括聚酮、非核糖體、核糖體合成和翻譯後修飾的肽以及萜類等。人類微生物組計劃顯示，人體微生物以厭氧菌為主，其中也含有大量的生物合成基因簇。人體微生物和人類一起經歷了長期共同進化，它所產生的天然產物很可能具有重要的生理功能，具有天然賦予的成藥潛力，引起了研究人員的極大興趣。然而，厭氧菌培養條件苛刻、遺傳操作困難，很難開展天然產物研究工作。為了克服這些障礙，分析厭氧菌中的BGCs分布規律，構建合適的宿主系統對厭氧菌中的基因簇進行異源表達不失為一種有效的手段。
中國科學院微生物研究所微生物資源前期開發國家重點實驗室陳義華課題組的研究人員通過文獻查閱和生物信息學分析發現，厚壁菌門中的梭菌綱（Clostridia）和芽孢桿菌綱（Bacilli）中BGCs含量十分豐富。其中，梭菌為嚴格厭氧菌，難以培養操作；而芽孢桿菌一般為耐氧或兼性厭氧菌，培養條件相對簡單，有作為表達宿主的潛力。此外，在人類微生物組中平均BGC豐度較高的前30個科中，有四個科來自芽孢桿菌綱，其中Streptococcaceae是研究相對深入的一個科。課題組前期工作中（Sci. Rep., 2016, 6:37479）對一萬多個Streptococcaceae科的鏈球菌基因組分析後發現，變形鏈球菌（Streptococcus mutans）中BGCs的含量尤為豐富，具備提供不同次級代謝產物前體的能力。變形鏈球菌（Streptococcus mutans）是人體特有的革蘭氏陽性兼性厭氧菌，能夠引起齲齒以及心血管疾病。對變形鏈球菌模式菌株S. mutans UA159的研究發現它可以產多種細菌素（mutacin）以及一系列非核糖體肽/聚酮類化合物mutanobactins；同時S. mutans UA159中已有成熟的遺傳操作工具，具備開發為厭氧菌次級代謝產物BGCs異源表達宿主的潛力。
於是，他們以S. mutans UA159為宿主菌，利用其能夠攝入外源DNA片段的天然轉化能力，開發了基於變形鏈球菌天然感受態的大片段克隆技術（natural competence based large DNA fragment cloning (NabLC)）。利用NabLC技術，通過同源重組能夠將長達40 kb基因簇直接克隆到S. mutans UA159基因組指定位置。這一過程不需要經過載體，從而可以避免載體引起的不穩定或不兼容問題。利用此技術成功克隆了來自於不同厭氧菌如變形鏈球菌、表皮葡萄球菌、梭菌的基因簇，證明了NabLC技術的普遍適用性。對於更長的BGCs，可以經過連續克隆來導入宿主基因組的指定位置。克隆結束後，通過在基因簇中插入誘導型或組成型啟動子激活基因簇，成功分離得到來自於口腔鏈球菌中的兩個BGCs所產的新化合物， mutancyclin和癸烯醯二肽SNC1-465，證明了該異源表達系統的實用性。Mutanocyclin基因簇只存在於靈長類口腔來源的鏈球菌中。生物活性測試表明，mutanocyclin具有抑制免疫細胞浸潤的作用，推測其可以幫助產生菌適應口腔環境。這一工作首次構建了針對於厭氧微生物中BGCs表達的宿主系統，為厭氧微生物——特別是人體來源的厭氧細菌——中次級代謝產物的挖掘奠定了基礎。
該研究以「An anaerobic bacterium host system for heterologous expression of natural product biosynthetic gene clusters」為題，於2019年8月14日在線發表於Nature Communications。本研究由中科院微生物所研究人員與加拿大Wilfrid Laurier University、美國University of Massachusetts、Oregon Health & Science University的科學家合作完成。中國科學院微生物研究所陳義華課題組博士生郝婷婷和副研究員謝周杰博士（現於天津科技大學工作）為論文並列第一作者，陳義華研究員為論文通訊作者。研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委優秀青年基金、中國科學院重大研究計劃和國際合作計劃的資助。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11673-0
註：封面圖片為煙麴黴電鏡照片（後期塗色），來源於中科院微生物研究所大型儀器中心。