Streptomyces属放線菌は多種多様な二次代謝産物を生産する産業微生物として知られ、これらの二次代謝産物は、抗生物質や農薬などの有用な化合物として利用されている。二次代謝産物は一次代謝産物を前駆物質として、また、一次代謝経路で生産されるエネルギーや補酵素を利用して生合成される。したがってStreptomyces属放線菌の工業レベルでの二次代謝産物の生産は、生合成遺伝子群の発現のみならず、前駆体として利用される一次代謝産物の供給に大きく依存すると考えられる。そこで本研究では、S. avermitilis大規模染色体欠失株SUKA38株の種々の一次代謝遺伝子改変株を作成し、各欠失株に抗生物質生合成クラスターを導入、HPLC分析により生産量を定量した。この結果、解糖系におけるfructose-6-phosphate(F-6-P)からfructose-1,6-bisphosphate(F-1,6-bisP)への反応を触媒する6-phosphofructokinaseの2重遺伝子欠失株（ΔpfkA1/ΔpfkA3）で顕著にクロラムフェにコール(Cp)生産が増加した。pfkAは3つのパラログからなるが、3重遺伝子欠失株は得られなかったため、必須遺伝子であると推測された。ΔpfkA1/ΔpfkA3株では生育の減少が観察されたため、乾燥菌体重量を測定し、specific productionを算出した。その結果、ΔpfkA1/ΔpfkA3株では最終的に、親株に対してCp生産が2倍となった。一方で、erythrose-4-phosphate(E-4-P)の生成反応を触媒するtransaldolaseの2重遺伝子欠失株（Δtal1/Δtal2）で顕著なCp生産の減少がみられた。Cp生合成では、前駆体としてペントースリン酸経路の中間体E-4-Pを利用するため、talの欠失によるE-4-Pの供給の低下が示唆された。上記を検討するために、フラックス比解析を行った。フラックス比解析の結果から、ΔpfkA1/ΔpfkA3二重遺伝子破壊により解糖系へのフラックスが減少し、これに伴いペントースリン酸経路側へのフラックスが増加したことで、Cp生産が大きく上昇したと示唆された。SUKAによるCp生産はCp生産菌であるS.venezuelaeと比較し10倍であり、本アプローチによりそこからさらに1.7倍Cp生産量が増加している。したがって、本研究による一次代謝フラックスの制御が効率的な有用二次代謝生産への応用に有用であることが証明された。
Streptomyces species are valuable for industrial purposes, such as for the synthesis of drugs. Thus, there is commercial interest in improving the production of its secondary metabolite, chloramphenicol. In this study, we created Embden–Meyerhof (EM) and pentose phosphate (PP) pathway disruptants in genetically engineered Streptomyces avermitilis. This study aimed to enhance the production of secondary metabolites by examining optimum metabolic flux. We investigated the effects of primary gene deletions in this bacterial strain by introducing a secondary biosynthetic gene cluster into S. avermitilis SUKA38. We introduced single, double, and triple gene mutants, and the triple gene mutants proved to be lethal. The results of our study indicate that pfkA1/pfkA3 double deletion in S. avermitillis SUKA38 is better suited for chloramphenicol production compared with its wild-type strain, SUKA38. Chloramphenicol production was greatest for the genetically engineered strains compared with the wild-type strains. We conclude that genetically engineered S. avermitilis has the potential for increasing the production of valuable secondary metabolites, which will have both commercial and industrial implications.
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