Small peptides synthesized by nonribosomal peptide synthetases (NRPSs) genes are found in bacteria and fungi. While some microbial taxa have few, others make a large number and variety. However, biochemical characterization of the products synthesized by NPRS demands a great deal of efforts. Since the completion of genome projects of numerous microorganisms, the numbers of available NRPSs genes are being expanded. Prediction of the peptides encoded by NRPS could save time and efforts. We chose the NRPS gene from Bradyrhizobium japonicum as a model to predict the peptide structure encoded by NRPS genes. Using computational analyses, the domain structure of this gene was defined, and the structure of a peptide synthesized by this NRPS was deduced. It was found that it encoded a tripeptide consisting of proline-serine-phenylalanine. This method would be helpful to predict the structure of small peptides with various NPRS genes from the genome sequence.
Kim, In-Hwang;Shim, Jung-Im;Lee, Ko-Eun;Hwang, Won;Kim, Ik-Jung;Choi, Sang-Ho;Kim, Kun-Soo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.18
no.1
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pp.35-42
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2008
Vibrio vulnificus produces siderophores, low-molecular-weight iron-chelating compounds, to obtain iron under conditions of iron deprivation. To identify genes associated with the biosynthesis of siderophore in V. vulnificus MO6-24/O, we screened clones with mini-Tn5 random insertions for those showing decreased production of siderophore. Among 6,000 clones screened, nine such clones were selected. These clones contain the transposon inserted in VV2_0830 (GenBank accession number) that is a homolog of a nonribosomal peptide synthase (NRPS). There is an another NRPS module, VV2_0831, 49-bp upstream to VV2_0830. We named these two genes vvs (Vibrio vulnificus siderophore synthase) A and B, respectively. Mutation of either vvsA or vvsB showed a decreased production of siderophore. The expression of an NRPS-lux fusion was negatively modulated by the presence of iron, and the regulation was dependent on Fur (ferric uptake regulator). However, the expression of the NRPS genes was still not fully derepressed in the iron-rich condition, even in furnull mutant cells, suggesting that some other unknown factors are involved in the regulation of the genes. We also demonstrated that the NRPS genes are important for virulence of the pathogen in a mice model.
Hwang, Jinik;Moh, Sang Hyun;Chang, Man;Lee, Gunsup;Lee, Juyun;Kim, Donggiun;Lee, Taek-Kyun
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.8
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pp.4086-4092
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2013
Mycosporine-like amino acids (MAAs) are UV-absorbing substances, and diverse marine organisms have the evolved the capacity to diminished the direct and indirect damaging effects of environmental ultraviolet radiation by synthesis and accumulation of MAAs. In this study, we manufactured a radiofrequency (RF) generation device and applied to microalgal culture. $0.35{\pm}0.05$ mHz of RF was supplied to culture vessel for Chlamydomonas sp. and samples were harvested at the designated time intervals (1, 0.5, 1 and 2 hr). MAAs biosynthetic genes, dehydroquinate synthase homolog (DHQS-like) and nonribosomal peptide synthetase homolog (NRPS-like), were cloned from Chlamydomonas sp. and their gene expressions under the RF exposure were analyzed using qRT-PCR. DHQS-like and NRPS-like gene expressions of Chlamydomonas sp. exposed to RF were increased 1.46 and 1.19 fold at 1 hr, respectively. These results means that DHQS-like and NRPS-like genes can be good biomarker candidates for diagnosis of MAAs biosynthesis in the Chlamydomonas sp.
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.
Beauveria bassiana (Cordycipitaceae, Hypocreales, Ascomycota) is an anamorphic fungus having a potential to be used as a biological control agent because it parasitizes a wide range of arthropod hosts including termites, aphids, beetles and many other insects. A number of bioactive secondary metabolites (SMs) have been isolated from B. bassiana and functionally verified. Among them, beauvericin and bassianolide are cyclic depsipeptides with antibiotic and insecticidal effects belonging to the enniatin family. Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) play a crucial role in the synthesis of these secondary metabolites. NRPSs are modularly organized multienzyme complexes in which each module is responsible for the elongation of proteinogenic and non-protein amino acids, as well as carboxyl and hydroxyacids. A minimum of three domains are necessary for one NRPS elongation module: an adenylation (A) domain for substrate recognition and activation; a tholation (T) domain that tethers the growing peptide chain and the incoming aminoacyl unit; and a condensation (C) domain to catalyze peptide bond formation. Some of the optional domains include epimerization (E), heterocyclization (Cy) and oxidation (Ox) domains, which may modify the enzyme-bound precursors or intermediates. In the present study, we analyzed genomes of B. bassiana and its allied species in Hypocreales to verify the distribution of NRPS-encoding genes involving biosynthesis of beauvericin and bassianolide, and to unveil the evolutionary processes of the gene clusters. Initially, we retrieved completely or partially assembled genomic sequences of fungal species belonging to Hypocreales from public databases. SM biosynthesizing genes were predicted from the selected genomes using antiSMASH program. Adenylation (A) domains were extracted from the predicted NRPS, NRPS-like and NRPS-PKS hybrid genes, and used them to construct a phylogenetic tree. Based on the preliminary results of SM biosynthetic gene prediction in B. bassiana, we analyzed the conserved gene orders of beauvericin and bassianolide biosynthetic gene clusters among the hypocrealean fungi. Reciprocal best blast hit (RBH) approach was performed to identify the regions orthologous to the biosynthetic gene cluster in the selected fungal genomes. A clear recombination pattern was recognized in the inferred A-domain tree in which A-domains in the 1st and 2nd modules of beauvericin and bassianolide synthetases were grouped in CYCLO and EAS clades, respectively, suggesting that two modules of each synthetase have evolved independently. In addition, inferred topologies were congruent with the species phylogeny of Cordycipitaceae, indicating that the gene fusion event have occurred before the species divergence. Beauvericin and bassianolide synthetases turned out to possess identical domain organization as C-A-T-C-A-NM-T-T-C. We also predicted precursors of beauvericin and bassianolide synthetases based on the extracted signature residues in A-domain core motifs. The result showed that the A-domains in the 1st module of both synthetases select D-2-hydroxyisovalerate (D-Hiv), while A-domains in the 2nd modules specifically activate L-phenylalanine (Phe) in beauvericin synthetase and leucine (Leu) in bassianolide synthetase. antiSMASH ver. 2.0 predicted 15 genes in the beauvericin biosynthetic gene cluster of the B. bassiana genome dispersed across a total length of approximately 50kb. The beauvericin biosynthetic gene cluster contains beauvericin synthetase as well as kivr gene encoding NADPH-dependent ketoisovalerate reductase which is necessary to convert 2-ketoisovalarate to D-Hiv and a gene encoding a putative Gal4-like transcriptional regulator. Our syntenic comparison showed that species in Cordycipitaceae have almost conserved beauvericin biosynthetic gene cluster although the gene order and direction were sometimes variable. It is intriguing that there is no region orthologous to beauvericin synthetase gene in Cordyceps militaris genome. It is likely that beauvericin synthetase was present in common ancestor of Cordycipitaceae but selective gene loss has occurred in several species including C. militaris. Putative bassianolide biosynthetic gene cluster consisted of 16 genes including bassianolide synthetase, cytochrome P450 monooxygenase, and putative Gal4-like transcriptional regulator genes. Our synteny analysis found that only B. bassiana possessed a bassianolide synthetase gene among the studied fungi. This result is consistent with the groupings in A-domain tree in which bassianolide synthetase gene found in B. bassiana was not grouped with NRPS genes predicted in other species. We hypothesized that bassianolide biosynthesizing cluster genes in B. bassiana are possibly acquired by horizontal gene transfer (HGT) from distantly related fungi. The present study showed that B. bassiana is the only species capable of producing both beauvericin and bassianolide. This property led to B. bassiana infect multiple hosts and to be a potential biological control agent against agricultural pests.
Among 12 marine bacterial strains from the China coast that exhibited interesting bioactivity (positive for both antimicrobial and cytotoxic activities), only four strains, namely, NJ6-3-1, NJ6-3-2, NB-6, and YTHM-17, had a KS domain or A domain when screened for PKS and NRPS genes using a PCR. Interestingly, two of these strains belonging to Pseudoalteromonas and associated with the marine sponge Hymeniacidon perleve were positive for both PKS and NRPS, whereas the other two strains of Pseudoalteromonas did not have a PKS or NRPS gene. A molecular phylogeny analysis and DGGE analysis of the Pseudoalteromonas sp. indicated that they had a specific affinity with the host marine sponge Hymeniacidon perleve. Furthermore, an analysis of a partial sequence of Pseudoalteromonas sp. NJ6-3-2 isolated from the marine sponge Hymeniacidon perleve obtained from genomic walking using a computational approach indicated a relatively complete PKS module including auxiliary domains (DH, KR, and Cy).
$Epichlo\ddot{e}$ endophytes, including Neotyphodium spp. and $Epichlo\ddot{e}$ spp., enhance plant growth, mediate more plant tolerance or resistance to biotic and abiotic stresses, and also synthesis various biologically active compounds in their host plants, and important in many areas. In early stages, most of $epichlo\ddot{e}$ endophytes were described during surveys practiced by American, European and Oceania scientists, while fungal endophytes within native Asian plants were poorly investigated. In recent years, an $Epichlo\ddot{e}$ sp. and 4 Neotyphodium spp. were described in cool season Chinese native gramineous plants. Most of Chinese native Neotyphodium spp. were presumed as hybrids originated from members of ETC and EBY. Investigation on NRPS genes shows lack of toxic ergopeptines and potential production of peramine. Biological and ecological roles of Chinese native $epichlo\ddot{e}$ endophytes should be investigated in future, and it will be very valuable if we can have some joint projects with Korean scientists for Asian native $epichlo\ddot{e}$ endophytes.
Kwei, Chee Kuan;Lewis, David;King, Keith;Donohue, William;Neilan, Brett A.
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.21
no.4
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pp.359-365
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2011
Cyanobacterial strains of the genus Spirulina have recently been identified as an excellent source of sulfolipids, some of which possess anti-HIV properties. Thus, to investigate the distribution of sufolipid biosynthesis pathways in Spirulina, a genetic screening/phylogentic study was performed. Five different strains of Spirulina [Spirulina (Jiangmen), Spirulina sp., S. platensis, S. maxima, and Spirulina seawater] sourced from different locations were initially classified via 16S rDNA sequencing, and then screened for the presence of the sulfolipid biosynthesis genes sqdB and sqdX via a PCR. To assess the suitability of these strains for human consumption and safe therapeutic use, the strains were also screened for the presence of genes encoding nonribosomal peptide synthases (NRPSs) and polyketide synthases (PKSs), which are often associated with toxin pathways in cyanobacteria. The results of the 16S rDNA analysis and phylogenetic study indicated that Spirulina sp. is closely related to Halospirulina, whereas the other four Spirulina strains are closely related to Arthrospira. Homologs of sqdB and sqdX were identified in Spirulina (Jiangmen), Spirulina sp., S. platensis, and the Spirulina seawater. None of the Spirulina strains screened in this study tested positive for NRPS or PKS genes, suggesting that these strains do not produce NRP or PK toxins.
The cephabacins produced by Lysobacter lactamgenus are ${\beta}$-lactam antibiotics composed of a cephem nucleus, an acetate residue, and an oligopeptide side chain. In order to understand the precise implication of the polyketide synthase (PKS) module in the biosynthesis of cephabacin, the genes for its core domains, ${\beta}$-ketoacyl synthase (KS), acyltransferase (AT), and acyl carrier protein (ACP), were amplified and cloned into the pET-32b(+) expression vector. The sfp gene encoding a protein that can modify apo-ACP to its active holo-form was also amplified. The recombinant KS, AT, apo-ACP, and Sfp overproduced in the form of $His_6$-tagged fusion proteins in E. coli BL21(DE3) were purified by nickel-affinity chromatography. Formation of stable peptidyl-S-KS was observed by in vitro acylation of the KS domain with the substrate [L-Ala-L-Ala-L-Ala-L-$^3H$-Arg] tetrapeptide-S-N-acetylcysteamine, which is the evidence for the selective recognition of tetrapeptide produced by nonribosomal peptide synthetase (NRPS) in the NRPS/PKS hybrid. In order to confirm whether malonyl CoA is the extender unit for acetylation of the peptidyl moiety, the AT domain, ACP domain, and Sfp protein were treated with $^{14}C$-malonyl-CoA. The results clearly show that the AT domain is able to recognize the extender unit and decarboxylatively acetylated for the elongation of the tetrapeptide. However, the transfer of the activated acetyl group to the ACP domain was not observed, probably attributed to the improper capability of Sfp to activate apo-ACP to the holo-ACP form.
Genus Bacillus is a spore-forming bacterium that has unique properties in cell differentiation, allowing the forming of spores in stress conditions and activated in the vegetative cell, with suitable environments occurring during the life cycle acting as a trigger. Their habitat is mainly in soil; thus, many species of Bacillus are associated with plants as well as rhizosphere bacteria and endophytic bacteria. Signal transduction is the principal mechanism of interactions, both within the cell community and with the external environment, which provides the subsequent functions or properties for the cell. The antimicrobial compounds of Bacillus sp. are potentially useful products, which have been used in agriculture for the inhibition of phytopathogens, for the stimulation of plant growth, and in the food industry as probiotics. There are two systems for the synthesis of these substances: nonribosomal synthesis of cyclic lipopeptides (NRPS) and polyketides (PKS). For each group, the structures, properties, and genes of the main products are described. The different compounds described and the way in which they co-exist exhibit the relationship of Bacillus substances to plants, humans, and animals.
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