来源：iNature Life（ID：iNature_Lifes）
生物合成基因簇（BGCs）的异源表达可以提高产量和开采天然产品，但由于缺乏更有效的革兰氏阴性菌底盘而受到限制。蛋白细菌Schlegelella brevitalea DSM 7029表现出异源BGC表达的潜力，但其细胞早期会发生自溶，阻碍了进一步的应用。
2021年7月23日，来自山东大学卞小莹等研究团队在Nature Communications上在线发表了题为“Rationalconstruction of genome-reduced Burkholderiales chassis facilitates efficientheterologous production of natural products from proteobacteria”的研究论文，通过连续删除内源性BGCs和非必需的基因组区域，分别合理地构建了DC和DT系列基因组减弱的S. brevitalea突变体。
细菌是治疗剂和生态友好型生物杀虫剂的重要来源，也是具有生物技术应用价值的生物活性化合物。细菌基因组中仍然含有大量的隐性或"沉默的"天然产物生物合成基因簇（BGCs），其编码的产物是生物活性代谢物的一个未被充分开发的来源。
BGCs的异源表达不仅是优化目标化合物生产产量的有效方法，也是从基因组序列中挖掘隐性次级代谢物的普遍策略，这得益于大型BGCs克隆和组装技术的关键进展，如线性加线性同源重组（LLHR）、转化相关重组（TAR）克隆、Cas9辅助的CHromosome片段定位（CATCH）。然而，缺乏更有效的宿主仍然是强大的异源表达的限制之一，特别是对于来自细菌物种的BGCs，它们相对来说很少受到关注。
来自革兰氏阳性放线菌的天然产物的生物合成和异源表达已经被广泛研究了几十年，少数稳健的底盘，特别是链霉菌属的基因组还原衍生物，已经被建立并广泛用于放线菌BGCs的高效异源表达。因此，合理的基因组还原有望作为构建理想底盘宿主的可行策略。
在过去的20年中，来自革兰氏阴性蛋白细菌的天然产物，如假单胞菌、霉菌和布氏菌，已被越来越多的人认为是一种新兴的、多产的和未被充分开发的具有生物活性潜力的化合物来源。为了获得以前被忽视的蛋白细菌物种的未开发的生物合成潜力，需要一个理想的底盘菌株，具有强大的生长特性、流畅的遗传操作、低次生代谢物背景和高产量。认识到野生型（WT）细菌物种作为理想的宿主仍然离现实很远，所以合理的基因组精简对于实现这一目标非常重要。
通过消除非必要基因进行基因组精简的蛋白细菌往往表现出更好的特性，例如在基因组精简的大肠杆菌中，删除14.3%的全基因组后，重组质粒的电穿孔效率和遗传稳定性都有提高。内源性BGCs和编码介导转座和水平基因转移的酶的基因，如转座酶、插入序列（IS）元件和噬菌体相关蛋白，被认为对细胞过程可有可无，因为前者竞争前体供应，后者可能导致不稳定。
人们发现，合理地减少普氏假单胞菌染色体中的大多数原病毒、鞭毛相关基因和一些移动元素，可使异源基因的表达和生物塑料的合成得到非常明显的改善，而生理上的稳健性却得以保持。通过删除5个次级代谢BGCs和17个菌株特异性区域的基因组还原的氯拉弗假单胞菌显示了原生酚醛的生产得到了改善。因此，在生物反应器中消除非必要的寄生元素、移动的DNA片段和无用的表面结构以提高生物技术性能，同时适当地删除本地BGCs以减少代谢物的背景，可能是异源生产天然产品的两种合理的底盘优化途径。
该研究在生物信息学、基因组和转录组分析的指导下，合理地构建了一系列基因组还原的S. brevitalea底盘菌株，用于改进革兰氏阴性蛋白细菌NRP/PK天然产品的异源生产。所获得的突变体显示出更好的生长特性，即通过删除与转座酶、IS元素和原病毒有关的可有可无的基因来减轻自溶现象，并通过失活本地BGCs来降低次级代谢物背景。
来自Burkholderiales和myxobacteria的六种天然产品的产量，其BGCs在基因组还原的S. brevitalea底盘中异源表达，高于亲本DSM 7029菌株。此外，来自Chitinimonas koreensis DSM 17726的一个隐性BGC在底盘菌株中被鉴定，其产量明显增加，从而鉴定出几丁质酰胺，这是一类以两个氨基酸残基之间的尿素连接为特征的解毒剂类化合物。构建的底盘菌株扩大了革兰氏阴性代用宿主的范围，通过异源表达来自革兰氏阴性蛋白细菌，特别是布氏菌和霉菌的BGCs，促进产量的提高和天然产品的发现。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24645-0#Abs1
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