Heterologous production of phenylpropanoids using synthetic genes in Streptomyces venezuelae

Abstract

플라보노이드 (flavonoid)와 스틸벤 (stilbene)은 식물 유래의 대표적인 이차대사산물로서, 항산화, 항염증, 항암 등의 활성을 갖는 건강 증진용 기능성 식품이다. 본 논문은 이종숙주의 코돈 선호도 (codon preference)를 고려한 합성 유전자를 이용하여 방선균 내에서 식물 특이적 화합물인 스틸벤과 플라보노이드 (플라본 및 플라보놀)의 생산과 대사공학을 이용한 생산성 향상을 시도하였다. 일차적으로, 피크로마이신 폴리케타이드 (pikromycin polyketide) 생합성 유전자가 제거된 Streptomyces. venezuelae DHS2001에서 플라본과 스틸벤 생합성 유전자를 발현하여, 플라본과 스틸벤의 생산을 확인하였다. 다음으로 피크로마이신 폴리케타이드와 데소사민 생합성 유전자 (desosamine gene cluster)가 모두 제거된 S. venezuelae YJ028플라보놀 생합성 유전자 발현하여 이종숙주에서 플라보놀이 생산됨을 확인하였다. 스틸벤의 경우Streptomyces coelicolor 유래의 4-coumarate:coenzyme A ligase (SsCCL)과 Arachis hypogaea 유래의 stilbene synthase (STS)를 확보하여 S. venezuelae에서 발현시킨 결과, 첨가해준 4-coumaric acid와 cinnamic acid로부터 0.4mg/l의 레스베라트롤과 0.6mg/l의 피노실빈이 각각 생산되었다. 플라본의 경우 또한 Petroselinum crispum 유래의 flavone synthaseⅠ(FNSⅠ)를 확보하여 S. venezuelae 에서 발현시킨 결과 5.2mg/l 의 아피제닌과 4.7mg/l 의 크라이신이 각각 생산되었다. 플라보놀의 경우Citirus sinensis 유래의 flavanone-3-hydroxylase (F3H) 와 Citirus unshius 유래의 flavonol synthase (FLS) 유전자의 발현을 통해, 첨가해준 naringenin과 pinocembrin으로부터 0.2mg/l의 캄페롤과 1mg/l의 갈란진이 각각 생산되었다. 최종적으로 이종숙주에서 플라보노이드의 생산성을 향상시키기 위하여, 플라보노이드에서 가장 기본이 되는 화합물인 플라보논의 생산성을 향상시키는 시도를 수행하였다. 이를 위해 S. coelicolor 유래의 malonyl-CoA synthetase (MatB)와 malonate carrier protein (MatC)를 S. venezuelae DHS2001에 형질 전환시키고, 플라바논 생합성 유전자인 ScCCL과 Arabidopsis thaliana 유래의 chalcon synthase (CHS) 유전자를 발현시켰다. 그 결과 플라바논인 나린제닌과 피노셈브린이 각각 6배, 3.7배 증가하였다. 이상의 연구를 통해, 미생물 유래의 폴리케타이드 뿐만 아니라 식물 유래의 유용한 폴리케타이드 화합물을 생산하기 위한 이종숙주로써 S. venezuelae 의 가능성을 보여주었다.;Phenylpropanoids, including flavonoids and stilbenes are plant secondary metabolites with pharmacological and nutraceutical properties. In this study, to expand the applicability of Streptomyces venezuelae as a heterologous host to production of diverse plant polyketides, flavonoid and stilbene biosynthetic genes were heterologously expressed in an engineered strain of S. venezuelae. A plasmid expressing the 4-coumarate/cinnamate:coenzyme A ligase gene from Streptomyces coelicolor (ScCCL) and codon-optimized stilbene synthase gene from Arachis hypogaea (STS) was constructed, and introduced into S. venezuelae DHS2001 bearing a deletion of native pikromycin polyketide synthase gene. The resulting strain produced 0.4 mg/l of resveratrol and 0.6 mg/l of pinosylvin from 4-coumaric acid and cinnamic acid, respectively. In addition a recombinant strain harboring codon-optimized flavone synthase gene from Petroselinum crispum (FNSI) generated flavones, 5.2 mg/l of apigenin and 4.7 mg/l of chrysin from naringenin and pinocembrin, respectively. Heterologous expression of the codon-optimized flavanone-3-hydroxylase from Citirus sinensis (F3H) and flavonol synthase from Citirus unshius (FLS) in S. venezuelae YJ028 bearing a deletion of native pikromycin polyketide synthase and desosamine gene cluster led to the production of kaempferol (0.2 mg/l) and galangin (1.0 mg/l) from naringenin and pinocembrin, respectively. Introduction of malonyl-CoA synthetase (MatB) and putative malonate carrier protein (MatC) derived from S. coelicolor into the flavanone producing recombinant strains significantly increased the yield of flavanones. These results introduce S. venezuelae as an alternative host for the production of these valuable compounds and demonstrate the possibility of engineering S. venezuelae as a generic heterologous host for the production of plant-specific polyketide compounds.