Identification of the chaxamycin and chaxalactin biosynthesis genes through genome mining of streptomyces leeuwenhoekii C34 and heterologous production of chaxamycins in streptomyces coelicolor M1152

Abstract

Streptomyces leeuwenhoekii C34 es un actinomiceto aislado del desierto de Atacama, Chile, productor de los antibióticos chaxamicinas A a D y chaxalactinas A a C. El objetivo de este trabajo fue identificar los genes involucrados en la biosíntesis de chaxamicinas y chaxalactinas y producir chaxamicinas en un huésped heterólogo. Capítulo Uno detalla procedimientos de crecimiento y modificación genética de S. leeu- wenhoekii C34. La temperatura óptima para producción de chaxamicinas en medio líquido fue 30 °C, y la que permitió alcanzar altos niveles de esporulación en medio sólido fue 37 °C. S. leeuwenhoekii C34 fue sensible a tioestreptona, apramicina, higromicina B y kanamicina, mientras que no a ácido nalidíxico, antibióticos usados para seleccionar bac- terias genéticamente modificadas. Un vector sensible a temperatura (pGM1190) y otro con un sistema de integración del fago C31 (pSET152) fueron exitosamente transferi- dos a S. leeuwenhoekii C34 por conjugación con una cepa que no metila ADN, E. coli ET12567/pUZ8002. Suplementación del medio de conjugación con 120 mM MgCl2 ó 60 mM CaCl2, incrementó la frecuencia de conjugación de forma significativa, comparado con el control sin adición de sales. En este trabajo se demostró que S. leeuwenhoekii C34 incorpora ADN foráneo no metilado. Capítulo Dos describe la identificación y expresión heteróloga de los genes de biosín- tesis de chaxamicinas. El genoma de S. leeuwenhoekii C34 fue secuenciado de novo combinando tecnologías de secuenciación Illumina y PacBio. Un grupo de 27 genes (80,2 kb, locus 1.210.347 1.290.550), codifica enzimas para la biosíntesis de chaxam- icinas. pIJ12853 contenía un inserto del genoma de S. leeuwenhoekii C34 de 145 kb que incluye el segmento de 80,2 kb, el que fue transferido a una cepa que no produce chaxamicinas, S. coelicolor M1152, resultando en la producción de chaxamicinas A D, confirmando que los genes presentes en pIJ12853 codifican para la ruta de biosíntesis de chaxamicinas. Genes del huésped heterólogo podrían estar involucrados en biosíntesis y/o exporte de estas moléculas. La deleción del gen AHBA sintasa (cxmK) en S. leeu- wenhoekii C34, dio origen a la cepa M1653 que pierde su capacidad de producir chax- amicinas. Para demostrar que la interrupción en la producción de chaxamicinas fue sólo debido a su incapacidad de producir AHBA, un cultivo líquido de M1653 suplementado con AHBA comercial permitió restablecer la producción de chaxamicinas. Esto es una prueba más de que el los genes de biosíntesis de chaxamicinas fueron identificados. Capítulo Tres describe la identificación bioinformática de los genes de biosíntesis de chaxalactinas. Una secuencia de 80,7 kb (locus 7.146.903 7.227.608) contenía genes codificantes de 5 subunidades de una policétido sintasa, cuya arquitectura de dominios coincidía con la predicha para biosíntesis de chaxalactina A. Un gen que codifica una citocromo P450 sería responsable de la hidroxilación C-14 de chaxalactina A que da ori- gen a chaxalactina B. Dos genes codificantes de O-metiltransferasas estarían involucra- dos en una O-metilación C-13 de chaxalactina B, que da origen a chaxalactina C.