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直接克隆法捕获新微生物天然产物

微生物具有天然产物生物合成基因簇(BGCs),在药物开发和农业应用中具有独特的生物活性。然而,许多未经鉴定的微生物BGCs仍然无法获得。伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究人员此前展示了一种利用转录因子诱饵激活细菌中大型沉默BGC的技术,以帮助发现天然产物。

现在,他们开发了一种直接克隆方法,旨在加速大规模发现新的天然产物。他们的研究结果发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,利用体内Cre-lox重组(CAPTURE),这种方法可以直接克隆大的基因组片段,包括那些具有高GC含量或序列重复的片段。当现有的直接克隆方法不能有效地克隆这种性质的天然产物BGCs时,CAPTURE就派上用场了。

“利用CAPTURE,可以以前所未有的速度直接克隆和异源表达微生物天然产物BGCs,研究负责人、化学与生物分子工程教授Steven L.Miller、Huimin Zhao说,因此,捕获允许从各种生物中大规模克隆天然产物BGCs,从而发现许多新的天然产物。”

研究人员首先通过从放线菌和杆菌中克隆47个天然产物BGCs来表征捕获的效率和稳定性。在证明了近100%的捕获效率后,研究人员克隆并异源表达了来自14种链霉菌和3种芽孢杆菌的43种未经鉴定的天然产物BGCs。所制备的化合物经纯化鉴定为15种新的天然产物,其中有6种化合物被命名为双戊酸霉素。其中四种对甲氧西林耐药的金黄色葡萄球菌、万古霉素耐药的肠球菌和炭疽杆菌具有抗菌活性。

“解决目前的抗菌药物耐药性危机需要发现能够治疗耐药性感染的新分子,”赵说。“五溴霉素的发现不仅证明了发现新型抗菌剂的可能性,但它也提供了一个例子,说明如何将这一策略应用于发现独特的生物活性化合物,用于药物开发和农业应用。”

研究人员计划下一步对这些化合物的其他生物活性进行表征,如抗癌、抗寄生虫和抗癌特性。初步结果已经显示了一些化合物的抗癌特性。

“由于其特殊的鲁棒性和效率,捕获将可能成为直接从基因组或亚基因组DNA中克隆大DNA分子(如天然产物BGCs)的首选方法,用于各种基础和应用生物学应用。”

Journal Reference:

Behnam Enghiad, Chunshuai Huang, Fang Guo, Guangde Jiang, Bin Wang, S. Kasra Tabatabaei, Teresa A. Martin, Huimin Zhao. Cas12a-assisted precise targeted cloning using in vivo Cre-lox recombination. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-21275-4


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