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为解决天然产物在宿主中产量低及隐秘生物合成基因簇（BGCs）挖掘难题，研究人员开发 Micro-HEP 平台。利用工程化大肠杆菌进行 BGCs 修饰与转移，优化链霉菌底盘菌株表达。结果显示平台可高效表达 BGCs，助力新天然产物发现与产量提升。
在微生物药物开发的浩瀚海洋中，天然产物始终是医药与农业领域的核心宝藏，其中链霉菌（Streptomyces）作为天然产物的 “超级生产者”，贡献了超过 45% 的微生物天然产物。然而，大量隐秘的生物合成基因簇（BGCs）在天然宿主中处于沉默状态，且许多活性产物存在产量低下的瓶颈，如同被深海禁锢的明珠，难以被高效挖掘和利用。如何打破这一困境，解锁链霉菌中天然产物的合成密码，成为全球生命科学领域亟待攻克的难题。
为了攻克这些挑战，山东大学微生物技术国家重点实验室与青岛大学药学院的研究人员携手展开了深入研究。他们致力于开发一种高效的异源表达平台，通过优化基因簇的修饰、转移与表达流程，激活沉默的 BGCs 并提升目标产物的产量。这项研究成果发表在《Microbial Cell Factories》，为微生物天然产物的开发开辟了新路径。
研究中采用了多项关键技术：一是利用红重组系统（Redαβγ）对大肠杆菌进行工程化改造，构建兼具 DNA 修饰与接合转移能力的多功能菌株，解决了传统系统中重复序列不稳定和转移效率低的问题；二是开发重组酶介导盒交换（RMCE）技术，通过引入 Cre-lox、Vika-vox 等模块化 RMCE 盒，实现了 BGCs 在链霉菌底盘菌株中的精准多拷贝整合；三是构建了链霉菌底盘菌株 S. coelicolor A3 (2)-2023，通过敲除四个内源性 BGCs 并引入多个 RMCE 位点，为外源基因簇提供了低代谢干扰的表达环境。
工程化大肠杆菌菌株的构建与性能优化
研究人员首先对大肠杆菌菌株的电穿孔效率、重复序列稳定性等关键指标进行筛选，发现 GB2005、DH5G 等菌株在重组效率和质粒稳定性方面表现优异。通过染色体整合 tra-PRha-redαβγ 元件（包含 Red 重组系统与接合转移系统），成功构建了双功能工程菌株。其中，GB05-recETtra-αβγ 菌株的接合转移效率是传统 ET12567（pUZ8002）系统的 2 倍，且能稳定维持含重复序列的大质粒，为 BGCs 的高效修饰与转移奠定了基础。
链霉菌底盘菌株的优化与 RMCE 系统的建立
在链霉菌改造方面，研究团队通过同源重组与位点特异性重组技术，构建了含 vox-vox2261、rox-rox2232 等五个 RMCE 位点的底盘菌株 S. coelicolor A3 (2)-2023。该菌株删除了 159 kb 的内源性 BGCs，形成了 “干净” 的代谢背景。利用 RMCE 系统，研究人员成功将厦门霉素（xim）BGC 以单拷贝或多拷贝形式整合到染色体上，发现随着拷贝数从 2 增加到 4，厦门霉素产量提升了 1.92-5.52 倍，证实了 RMCE 技术在产量优化中的有效性。
异源表达平台的验证与新天然产物的发现
通过 Micro-HEP 平台，研究人员进一步验证了对 II 型聚酮 BGC（grh）的表达能力。将 grh BGC 分别整合到底盘菌株和野生型链霉菌中，发现前者的代谢产物中出现了新化合物 —— 灰红菌素 H（griseorhodin H）。LC-MS 分析显示，底盘菌株中目标产物的产量较野生型提升了 2.9-3.4 倍，表明去除内源性 BGCs 可显著减少代谢竞争，增强异源途径的通量。
研究结论与意义
本研究开发的 Micro-HEP 平台通过 “工程化大肠杆菌修饰转移 + BGCs 多拷贝整合 + 低代谢干扰底盘表达” 的全流程优化，成功解决了链霉菌中异源表达的效率瓶颈。该平台不仅实现了已知天然产物的产量提升，更通过激活沉默 BGCs 发现了新化合物，为微生物天然产物的基因组挖掘提供了强大工具。未来，这一技术有望加速抗生素、抗癌药物等活性分子的发现与产业化，为解决耐药性危机和医药资源短缺问题开辟新方向。
