工程化长胜链霉菌高效合成恶唑霉素及其多重生物活性研究

本研究针对恶唑霉素(oxazolomycin)产量低制约其开发的瓶颈问题，通过代谢工程策略优化长胜链霉菌(Streptomyces longshengensis)的oxa BGC基因簇表达系统。采用启动子替换(PRE)、核糖体工程及转运基因(ozmS/oxaA)过表达等组合技术，使主要组分Toxa5产量提升至175 mg/L，并首次发现其对铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)的抗菌活性、枯草芽孢杆菌(B. subtilis)生物膜抑制能力及抗氧化特性，为开发抗耐药菌新型药物提供了重要候选分子。

　　

在抗生素耐药性危机日益严峻的背景下，寻找结构新颖、活性多样的抗菌化合物成为全球紧迫任务。恶唑霉素家族作为同时含有聚酮(polyketide)和多肽(polypeptide)结构的独特抗生素，其核心结构中串联的β-内酰胺(β-lactam)和β-内酯(β-lactone)等药效团赋予其广谱生物活性。然而自1985年首次发现以来，该家族化合物的开发长期受限于微生物发酵产量过低（野生型菌株产量仅约10 mg/L）和化学合成步骤繁琐等问题。

中国科学院微生物研究所的Huiying Sun等研究人员在《Microbial Cell Factories》发表研究，通过多维度改造长胜链霉菌生产系统，实现了恶唑霉素的高效生物合成与活性挖掘。研究采用启动子替换（用P_neo/P_kasO*替代天然启动子）、核糖体工程（庆大霉素亚致死剂量诱导突变）和转运基因（ozmS/oxaA）过表达等关键技术，结合RT-qPCR转录分析、HPLC-HR-MS代谢产物检测、ORAC抗氧化评价等方法系统优化生产体系。

【功能基因模块评估】通过共转录分析锁定oxa BGC中两个关键操纵子：负责甲氧基丙二酰-ACP合成的oxaB-oxaG模块和参与PKS-NRPS骨架构建的oxaH-oxaQ模块。过表达实验显示oxaB-G使Toxa5产量提升至野生型的220%，而转运基因oxaSA（含ozmS/oxaA）使产量达150%。

【全基因簇表达整体增强】采用启动子替换策略构建SLOE菌株，使Toxa5产量提升4倍。RT-qPCR证实该策略可协同激活整个oxa BGC的转录，关键基因表达量显著上调。

【底盘细胞优化】通过庆大霉素（8-10 μg/mL）诱导核糖体突变获得高产突变株SLROE，其抑制枯草芽孢杆菌的抑菌圈显著扩大，为后续工程改造提供优化宿主。

【高产系统构建】在SLROE中引入转运基因oxaSA使Toxa5产量达175 mg/L（目前摇瓶发酵最高记录），并意外激活了野生型中几乎检测不到的恶唑霉素A/B/C等异构体。生物活性评价显示Toxa5对铜绿假单胞菌的MIC为200 μg/mL，12.5-100 μg/mL可抑制枯草芽孢杆菌生物膜形成达95%，ORAC法测定其抗氧化活性达1041.8 μmol TE/g，且对A549细胞无显著毒性。

该研究通过创新性的组合策略突破了恶唑霉素的生产瓶颈，产量提升17倍以上。首次系统揭示了这类化合物抗革兰阴性菌、抑制生物膜和抗氧化等多重生物活性，特别是对临床棘手病原体铜绿假单胞菌的抑制作用具有重要转化价值。建立的"启动子工程-核糖体突变-转运强化"技术体系为其他微生物次级代谢产物的产量提升提供了范式参考。发现的抗氧化新活性拓展了恶唑霉素的应用场景，其独特的β-内酯-内酰胺串联结构可能通过多靶点作用机制发挥功效，为开发抗感染-抗氧化双功能药物提供了新思路。