Engineering of Streptomyces albus J1074 and Streptomyces lividans TK24 for natural products production

Abstract

Actinobacteria have remarkable chemical potential that is not explored due to low level of corresponding genes expression. In order to uncover this reservoir of natural products we developed a reporter-guided screening strategy combined with transposon mutagenesis. It was used to activate silent polycyclic tetramate macrolactam biosynthesis gene cluster in Streptomyces albus J1074. As result, the mutant with awaken secondary metabolism was obtained. Analysis of this strain led to identification of new regulatory system consisting of transcriptional regulator XNR_3174 and bacterial hormone-like compound butenolide. XNR_3174 and butenolide biosynthesis genes orthologues are present in the genomes of different Streptomyces. The identified regulatory system comprises a new condition-depended cascade controlling secondary metabolism in Actinobacteria. We also developed new host strains for heterologous production of natural products by deleting 11 endogenous secondary metabolite gene clusters from chromosome of S. lividans and introducing up to 2 sites for integration of foreign DNA. When expressing three heterologous gene clusters the generated hosts have shown better performance than the parental strain. S. lividans TK24 was also improved as a host for heterologous protein production by deleting a set of proteases encoding genes. The developed strains represent a step forward to a better panel of organisms for bioprospecting and genome mining of novel natural products.

Actinobakterien besitzen ungeahntes chemisches Potenzial, das aufgrund niedriger Exprimierung entsprechender Gene nicht erforscht werden kann. Um Dieses aufzudecken, wurde eine Kombination aus reportergeführter Screening-Strategie und Transposon Mutagene entwickelt. Die Verwendung dieser Strategie führte zur Aktivierung des polyzyklischen Tetramat-Makrolaktam Gen-Clusters in Streptomyces albus J1074. Der erhaltene Stamm weißt eine aktivierte Produktion von Sekundärmetaboliten auf und Analysen führten zur Identifizierung eines Regulationssystems, bestehend aus dem transkriptionellen Regulator XNR_3174 und dem hormonähnlichen Naturstoff Butenolid. Orthologe von XNR_3174 und der Butenolid Gene findet man in Genomen verschiedener Streptomyceten. Das identifizierte System umfasst die neue „condition-dependent“-Kaskade, die den Sekundärstoffwechsel in Actinobakterien steuert. Zusätzlich entwickelten wir, durch das Entfernen von 11 endogenen Gen-Clustern aus dem Genom von S. lividans und dem Einfügen von zwei DNA Integrationsstellen, neue Wirtsstämme für die heterologe Produktion von Naturstoffen. Bei der heterologen Exprimierung von drei Gen-Clustern zeigten die optimierten Wirte bessere Resultate als der ursprüngliche Stamm. Durch das Entfernen der Proteasegene wurde S. lividans TK24 als Wirt für die Proteinproduktion verbessert. Die entwickelten Stämme vereinfachen die Bioprospektion und die Entdeckung neuer Naturstoffe unter Verwendung des „Genome-Mining“ Ansatzes.