Genome mining has recently emerged as a powerful strategy to discover novel microbial secondary metabolites. However, more than 50% of biosynthetic gene clusters are not transcribed under standardized laboratory culture condition. Several methods have been applied to activate silent biosynthetic gene clusters in the microbes so far. Among the regulatory systems for production of secondary metabolites, global regulators, which affect transcription of genes through regulatory cascades, typically govern the production of small molecules. In this review, global regulators to affect production of microbial secondary metabolites were discussed.
Park, Suhyun;Hyun, Hyesook;Lee, Jong Suk;Cho, Kyungyun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제26권9호
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pp.1636-1642
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2016
Phenalamide is a bioactive secondary metabolite produced by Myxococcus stipitatus. We identified a 56 kb phenalamide biosynthetic gene cluster from M. stipitatus DSM 14675 by genomic sequence analysis and mutational analysis. The cluster is comprised of 12 genes (MYSTI_04318- MYSTI_04329) encoding three pyruvate dehydrogenase subunits, eight polyketide synthase modules, a non-ribosomal peptide synthase module, a hypothetical protein, and a putative flavin adenine dinucleotide-binding protein. Disruption of the MYSTI_04324 or MYSTI_04325 genes by plasmid insertion resulted in a defect in phenalamide production. The organization of the phenalamide biosynthetic modules encoded by the fifth to tenth genes (MYSTI_04320-MYSTI_04325) was very similar to that of the myxalamid biosynthetic gene cluster from Stigmatella aurantiaca Sg a15, as expected from similar backbone structures of the two substances. However, the loading module and the first extension module of the phenalamide synthase encoded by the first to fourth genes (MYSTI_04326-MYSTI_04329) were found only in the phenalamide biosynthetic gene cluster from M. stipitatus DSM 14675.
Jo, You-Young;Kim, Sun-Hee;Yang, Young-Yell;Kang, Choong-Min;Sohng, Jae-Kyung;Suh, Joo-Won
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제13권6호
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pp.906-911
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2003
The function of genes related to spectinomycin biosynthesis (spcD, speA, speB, spcS2) from Streptomyces spectabilis ATCC 27741, a spectinomycin producer, was analyzed. Each gene was subcloned from a spectinomycin biosynthetic gene cluster and overexpressed in E. coli BL21 (DE3) using pET vector. After incubating each purified protein with its possible substrates, the final products were analyzed using high-performance liquid chromatography (HPLC). From these results, spcD, speA, and speB have been identified to be dTDP-glucose synthase, myo-inositol monophosphatase, and myo-inositol dehydrogenase, respectively. In addition, the results suggest that the spcS2 gene product functions downstream of the speB gene product in the biosynthetic pathway of spectinomycin. Taken together, the present study elucidates the early steps of the biosynthetic pathway for 6-deoxyhexose (6-DOH) part (actinospectose) and aminocyclitol part (actinamine) of spectinomycin.
Many antibiotics contain partially deoxygenated sugar components that are usually essential for biological activity, affinity, structural stability, and solubility of antibiotics. Gene probes of the biosynthetic genes related with the deoxysugar were obtained from PCR. Primers were designed from the conserved peptide sequences of the known dTDP-D-glucose 4,6-dehydratases, which are the key step enzymes in the biosynthesis of deoxysugar. The primers were applied to amplify parts of dehydratase genes to 27 actinomycetes that produce the metabolites containing deoxysugar as structural constituents. About 180 and 340 bp DNA fragments from all of the actinomycetes were produced by PCR and analyzed by Southern blot and DNA sequencing. The PCR products were used as gene probes to clone the biosynthetic gene clusters for the antibiotic mithramycin, rubradirin, spectinomycin, and elaiophyrin. This method should allow for detecting of the biosynthetic gene clusters of a vast array of secondary metabolites isolated from actinomycetes because of the widespread existence of deoxysugar constituents in secondary metabolites.
Actinorhodin antibiotics produced by Streptomyces lividans TK24 are blue pigments with a weak antibiotic activity, derived from one acetyl-CoA and 15 malonyl-CoA units via a typical ployketide pathway. In an attempt to clone polyketide biosynthetic genes of S. lividans TK24, hybridizing fragments in the genomic DNA of S. lividans TK24 were detected by use of acn and act III polyketide synthase gene probes. Since typical aromatic polyketide bio-synthetic gene clusters are roughly 22-34 Kb long, we constructed in E. coli XL-Blue MR using the Streptomyces-E. coli bifunctional shuttle cosmid vector (pojn46). Then, about 5,000 individual E. coii colonies were thor-oughly screened with acrl-ORFI and actIII probes. From these cosmid libra-ries, 12 positive clones were identified. Restriction analysis and southern hybridization showed two polyketide biosynthetic gene clusters in this organism. These cosmid clones can be transformed into Streptomyces parvulus 12434 for expression test that identify product of actinorhodin biosynthetic genes by heterologous expression. Thus, heterologous expres-sion of a derivative compound of a actinorhodin biosynthetic intermediate was obtained in pKE2430. Expression of these compounds by the trans-formants was detected by photodiode array HPLC analysis of crude extracts.
The polyene antibiotics including nystatin, pimaricin, amphotericin and candicidin are a family of most promising antifungal polyketide compounds, typically produced by rare actinomycetes species. The biosynthetic gene clusters for these polyenes have been previously investigated, revealing the presence of highly homologous biosynthetic genes among polyene-producers such as polyketide synthase (PKS) and cytochrome P450 hydroxylase (CYP) genes. Based on amino acid sequence alignment among actinomycetes CYP genes, the highly-conserved regions specific for only polyene CYP genes were identified and chosen for degenerate PCR primers, followed by the PCR-screening with various actinomycetes genomic DNAs. Among tested several polyene non-producing actinomycetes strains, Pseudonorcardia autotrophica strain was selected based on the presence of PCR product with polyene-specific CYP gene primers, and then confirmed to contain a cryptic novel polyene hydroxylase gene in the chromosome. These results suggest that the polyene-specific hydroxylase gene PCR should be an efficient way of screening and isolating potentially-valuable cryptic polyene antibiotic biosynthetic genes from various microorganisms including rare actinomycetes.
Epicoccum nigrum produces epipyrone A (orevactaene), a yellow polyketide pigment. Its biosynthetic gene cluster was previously characterized in E. nigrum KACC 40642. The YES liquid culture of this strain revealed high-level production of epicoccamide (EPC), with an identity that was determined using liquid chromatography-mass spectrometry analysis and molecular mass search using the SuperNatural database V2 webserver. The production of EPC was further confirmed by compound isolation and nuclear magnetic resonance spectroscopy. EPC is a highly reduced polyketide with tetramic acid and mannosyl moieties. The EPC structure guided us to localize the hypothetical EPC biosynthetic gene cluster (BGC) in E. nigrum ICMP 19927 genome sequence. The BGC contains genes encoding highly reducing (HR)-fungal polyketide synthase (fPKS)-nonribosomal peptide synthetase (NRPS), glycosyltransferase (GT), enoylreductase, cytochrome P450, and N-methyltrasnferase. Targeted inactivation of the HR-fPKS-NRPS and GT genes abolished EPC production, supporting the successful localization of EPC BGC. This study provides a platform to explore the hidden biological activities of EPC, a bolaamphiphilic compound.
Compounds of polyketide origin possess a wealth of pharmacological effects, including antibacterial, antifungal, antiparasitic, anticancer and immunosuppressive activities. Many of these compounds and their semisynthetic derivatives are used today in the clinic. Most of the gene clusters encoding commercially important drugs have also been cloned and sequenced and their biosynthetic mechanisms studied in great detail. The area of biosynthetic engineering of the enzymes involved in polyketide biosynthesis has recently advanced and been transferred into the industrial arena. In this work, we introduce a computational system to provide the user with a wealth of information that can be utilized for biosynthetic engineering of enzymes involved in post-PKS tailoring steps. Post-PKS tailoring steps are necessary to add functional groups essential for the biological activity and are therefore important in polyketide biosynthesis.
Streptomyces are attractive microbial cell factories that have industrial capability to produce a wide array of bioactive secondary metabolites. However, the genetic potential of the Streptomyces species has not been fully utilized because most of their secondary metabolite biosynthetic gene clusters (SM-BGCs) are silent under laboratory culture conditions. In an effort to activate SM-BGCs encoded in Streptomyces genomes, synthetic biology has emerged as a robust strategy to understand, design, and engineer the biosynthetic capability of Streptomyces secondary metabolites. In this regard, diverse synthetic biology tools have been developed for Streptomyces species with technical advances in DNA synthesis, sequencing, and editing. Here, we review recent progress in the development of synthetic biology tools for the production of novel secondary metabolites in Streptomyces, including genomic elements and genome engineering tools for Streptomyces, the heterologous gene expression strategy of designed biosynthetic gene clusters in the Streptomyces chassis strain, and future directions to expand diversity of novel secondary metabolites.
JO YOU-YOUNG;LIU JING;JIN YING-YU;YANG YOUNG-YELL;SUH JOO-WON
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제15권3호
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pp.491-496
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2005
The biosynthetic gene cluster for the aminoglycoside antibiotic kasugamycin was isolated and characterized from the kasugamycin producing strain, Streptomyces kasugaensis KACC 20262. By screening a fosmid library using kasA, the gene encoding aminotransferase, we isolated a 22 kb DNA fragment. The fragment contained seventeen complete open reading frames (ORFs); one of these ORFs, kasD, was identified as the gene for dNDP-glucose 4,6-dehydratase, which catalyzes the conversion of dNDP-glucose to 4-keto-6-deoxy-dNDP-glucose. The enzyme showed a broad spectrum of substrate specificity. In addition, ksR was overexpressed in E. coli BL21 and proved to be a self-resistance gene against kasugamycin. These findings suggest that the isolated gene cluster is highly likely responsible for the biosynthesis of kasugamycin.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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