Biotechnology Advances | 上海交大李雷课题组综述独特微生物资源生物合成潜能释放新方法

近日，上海交通大学李雷课题组应邀在合成生物学领域国际知名期刊《Biotechnology Advances》发表题为“Accessing hidden microbial biosynthetic potential from underexplored sources for novel drug discovery”的综述文章，针对不同生境的未充分挖掘的独特微生物资源，梳理了三类天然产物高通量发现的前沿技术及应用案例，为微生物新药开发提供了崭新思路。生命科学技术学院李雷长聘教轨副教授为第一与通讯作者。

微生物天然产物是小分子药物开发的主要来源。然而，传统天然产物发现局限于常规药源微生物资源，同时活性筛选方法盲目性大重现率高，导致新结构、新靶点天然产物匮乏，严重制约了新药研发。随着长读长、高通量测序技术的迅猛发展，海量微生物（宏）基因组序列被解析，生信分析显示不同生境微生物生物合成潜能被严重低估。目前，预测的天然产物合成基因簇超过一百万条，为新化合物挖掘提供了一个巨大宝库，天然产物发现领域迎来第二个黄金时代。

为克服天然产物重复发现的瓶颈，高效获取新骨架活性小分子，科研界与企业界纷纷将视角聚焦到未充分挖掘的独特微生物资源，包括复杂的宿主微生物组、冰川海洋等全球生态系统微生物群系以及过去未关注的稀有细菌或真菌等（图1）。它们蕴含了巨大的生物合成潜能，已证明产生系列结构多样、来源独特的活性化合物，正显著推动小分子药物研发进程（图1）。

图1 三类未充分挖掘的独特微生物资源及所发现的代表性化合物

李雷课题组长期从事微生物天然药物创新发现与高效制造研究，结合自身科研成果，本文系统总结了未充分挖掘的独特微生物资源生物合成潜能释放最新技术进展。首先，针对90%以上基因簇沉默表达、稀有药源微生物操作困难等瓶颈，一方面介绍了基因簇原位遗传改造或化学激活的实用策略（物种特异的基因组编辑工具与成像质谱偶联的HiTES等），另一方面总结了基因簇异源表达的新方法，包括大尺度DNA一步克隆技术（CAT-FISHING、CAPTURE与NabLC等）与自动化基因簇重塑平台（HEx与auto-HTP等）。其次，针对海量的人体或动物微生物组（宏）基因组序列信息，介绍了一种人工智能驱动的抗菌肽高通量发现方法。该方法利用深度学习算法与宏蛋白组数据，批量鉴定了2349个潜在的抗菌肽。经过靶向筛选与多肽固相合成，获得了218个化学实体，其中181个具有良好的抗菌活性。该案例清晰展示了人工智能在天然产物高通量精准挖掘的广阔应用前景。最后，针对已测序的独特微生物资源所蕴含的生物合成潜能快速释放，介绍了作者博后导师Sean Brady教授实验室开发的一类不依赖基因簇表达的天然产物挖掘新理念syn-BNP（即结构预测-化学合成），并对比了随机与靶向syn-BNP两种策略的优缺点与应用案例。syn-BNP是一种化学赋能的合成生物学新方法，显著推动了抗感染、抗肿瘤等新结构先导化合物的高通量发现。

如今，新发、突发、耐药病原菌等引发的多种疾病给人民生命健康、国家经济发展带来了极大威胁。为推动全球抗生素耐药性、恶性肿瘤等重大健康问题的解决，小分子药物创新研发刻不容缓。本文所介绍的独特微生物资源天然产物发现系列新方法具有很强的普适性，预计未来将获得广泛关注，大量新骨架、新靶点活性小分子将不断涌现。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108176