诺奖得主手中的那株青霉菌被首次测序

英国研究人员近日首次对亚历山大•弗莱明的青霉菌基因组进行测序，并将其与之后的版本进行比较。

　　

1928年，亚历山大•弗莱明（Alexander Fleming）在伦敦圣玛丽医院的医学院工作时发现了第一种抗生素——青霉素（penicillin）。这种抗生素是由青霉属中的霉菌产生的，能够抑制葡萄球菌的生长。凭借此项发现，弗莱明在1945年被授予诺贝尔生理学或医学奖。

之后，弗莱明所发现的青霉菌菌种被交给牛津大学的研究小组保存。如今，来自伦敦帝国理工学院、牛津大学和国际应用生物科学中心（CABI）的研究人员利用五十多年前冷冻保存的样本，对这个原始青霉菌菌株开展了基因组测序。这项成果于9月24日发表在《Scientific Reports》杂志上。

研究小组还将弗莱明的青霉菌菌株和美国现在大规模生产抗生素所用的菌株进行比较。他们发现，英国菌株和美国菌株生产青霉素的方式略有不同，这可能对抗生素的工业生产有意义。

帝国理工学院生命科学系和牛津大学动物学系的Timothy Barraclough教授说：“我们原本打算将亚历山大•弗莱明的青霉菌用于一些其他实验，但让我们惊讶的是，没有人对这个原始的青霉菌基因组进行测序，尽管它在生物界具有历史意义。”

尽管弗莱明霉菌因青霉素的发现而闻名，但后来美国研究人员却选择发霉哈密瓜上的霉菌来生产抗生素。他们从发霉的哈密瓜上分离出原始的野生霉菌分离株，经过多轮X射线、化学和紫外线诱变以及人工选择，最终获得青霉素产量高的分离株。

在这项研究中，研究团队获得了保存在CABI菌种保藏库中的冷冻样本，并重新培养了弗莱明的原始青霉菌（Penicillium rubens）。他们提取出DNA，利用Illumina MiSeq测序平台开展基因组测序，并将此基因组与先前发表的两种青霉属工业菌株的基因组进行比较。

研究人员特别关注两类基因：一类是编码各种酶的基因（pcbAB、pcbC和penDE），青霉菌利用这些酶来产生青霉素；另一类是调控基因，这些基因能够控制酶的产量。

他们发现，对于英国和美国的菌株，调控基因有着相同的遗传密码，但美国菌株拥有更多的拷贝，使得菌株产生更多的青霉素。不过，青霉素生产酶的编码基因却不相同。这表明，英国和美国的野生青霉菌经过自然进化，产生了略有不同的版本。

像青霉菌这样的霉菌会产生抗生素来对付微生物，而微生物也会不断进化以躲避这些攻击，如此这般，“军备竞赛”不断升级。英国菌株和美国菌株的进化方式可能不同，以适当其当地的微生物。

就目前而言，微生物进化已成为一个大问题，因为许多细菌已对我们的抗生素产生了耐药性。研究人员表示，尽管他们尚不清楚英国和美国菌株中不同酶的序列对抗生素有何影响，但这有望带来青霉素生产的新方法。

文章的第一作者、帝国理工学院生命科学系的Ayush Pathak表示：“我们的研究有望激发对抗耐药性的新解决方案。青霉素的工业生产主要关注产量，而人为提高产量的步骤导致基因数量的改变。”（生物通 薄荷）

原文检索

Pathak, A., Nowell, R.W., Wilson, C.G. et al. Comparative genomics of Alexander Fleming’s original Penicillium isolate (IMI 15378) reveals sequence divergence of penicillin synthesis genes. Sci Rep 10, 15705 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-72584-5