基于NRPS操纵子同源性的枯草芽孢杆菌属表面活性素A与C合成的特征分析及其生物学意义

推荐 为解决表面活性素同系物（surfactin congeners）生产比例受内源因素调控的科学问题，日本东京农业大学研究人员通过比较基因组学和代谢组学方法，揭示了枯草芽孢杆菌属中NRPS操纵子（Non-Ribosomal Peptide Synthetases operon）的遗传多样性。研究发现，Bacillus velezensis 和 Bacillus amyloliquefaciens 分别特异性合成表面活性素A和C，并明确了腺苷化结构域在氨基酸选择性激活中的关键作用。该研究为微生物农药和生物表面活性剂的开发提供了理论基础。

　　

论文解读
表面活性素（Surfactin）作为由枯草芽孢杆菌（Bacillus spp.）产生的环脂肽类次级代谢产物，因其兼具生物表面活性剂和信号分子的双重功能，在农业微生物制剂和工业生物技术中具有重要应用价值。然而，不同菌株产生的表面活性素同系物（如A、B、C型）在氨基酸组成上的差异及其调控机制尚未完全阐明。本研究针对这一科学问题，由东京农业大学的研究团队开展系统研究，旨在揭示表面活性素同系物合成的遗传基础及其生态适应性。

研究团队首先通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术分析了10株表面活性素产生菌的代谢产物，发现其色谱峰可归为两类，分别对应表面活性素A和C。进一步通过全基因组测序和比较基因组学分析，鉴定出两种新型NRPS操纵子变体，分别负责表面活性素A和C的合成。其中，Bacillus velezensis 中的操纵子（命名为BvelsrfA）与已知的枯草芽孢杆菌JCM 1465 srfA操纵子同源性较低，而Bacillus amyloliquefaciens 中的操纵子则表现出独特的腺苷化结构域特征。

在关键技术方面，研究采用域替换策略验证了腺苷化结构域7（A7 domain）对亮氨酸（Leu⁷）的选择性作用。通过将Ptrs2菌株的A7结构域导入表面活性素A生产菌株168S中，成功将其产物转化为表面活性素C，证实了该结构域在氨基酸特异性识别中的核心功能。此外，平均核苷酸同一性（ANI）分析进一步支持了表面活性素同系物合成途径的物种特异性分布。

研究结果表明，表面活性素A和C的合成能力严格局限于特定物种，其中Bacillus velezensis 主要合成表面活性素A，而Bacillus amyloliquefaciens 则倾向于产生表面活性素C。这种差异可能源于进化过程中对不同生态位适应性的选择压力。例如，表面活性素A在植物根际定殖中表现出更强的生物膜形成能力，而表面活性素C则可能通过调节免疫相关信号通路发挥独特功能。

本研究的意义在于：首先，首次系统定义了表面活性素A和C合成操纵子的遗传边界，为后续基因工程改造提供了明确靶点；其次，揭示了非核糖体肽合成酶模块化结构的进化多样性，有助于理解细菌次级代谢产物的化学适应性机制；最后，为开发高效生物表面活性剂和靶向性微生物农药奠定了理论基础。研究提出的BvelsrfA和BamysrfC命名体系，也为同类研究建立了标准化分类框架。

研究方法概述
本研究主要采用以下技术：

1. LC-MS和LC-MS/MS分析表面活性素的结构特征
2. 全基因组测序与比较基因组学分析
3. 基因域替换构建突变体库
4. 平均核苷酸同一性（ANI）分析确定物种关系

研究结果
Elution profiles of surfactins determined via LC-MS analysis
通过LC-MS分析，发现10株表面活性素产生菌的代谢产物可分为两类，分别对应表面活性素A和C的特征离子峰（m/z 994, 1008, 1022, 1036）。

Structural identification of surfactins
MS2光谱分析和氨基酸组成测定表明，TUA12菌株产生典型的表面活性素A（Glu-Leu-Leu-Val-Asp-Leu-Leu），而Ptrs2菌株则合成Leu⁷被Ile取代的表面活性素C类似物。

Identification and phylogenetic analysis of the adenylation domain in srf operon
比较基因组学显示，srfA操纵子的腺苷化结构域具有高度保守性，但A7结构域在表面活性素A和C生产者间存在显著差异（66.1-67.3% vs 71.7-71.9%同源性）。

Evaluation of the adenylation domain for surfactin congener biosynthesis
通过域替换实验证实，Ptrs2的A7结构域能够将表面活性素A转化为C型产物，验证了其在氨基酸选择性激活中的决定性作用。

Phylogenetic analysis of NRPS genes for surfactin biosynthesis
系统发育分析显示，表面活性素A和C合成相关基因分别聚类为独立分支，支持其独立的进化路径。

Distribution of srf operon in Bacillus spp.
ANI分析确认所有测试菌株均属于Bacillus velezensis 或 Bacillus amyloliquefaciens，且其表面活性素合成能力与物种分类严格对应。

研究结论
本研究通过多组学方法系统解析了表面活性素同系物合成的遗传基础，揭示了NRPS操纵子在物种特异性代谢调控中的关键作用。研究不仅完善了表面活性素生物合成途径的理论框架，还为定向改造微生物代谢途径以生产高附加值生物活性物质提供了重要参考。研究提出的新命名体系（BvelsrfA/BamysrfC）有助于规范该领域的后续研究，其发现的物种特异性合成机制也为微生态制剂开发提供了新的思路。