阿维菌素的生物合成与途径工程

阿维菌素的生物合成与途径工程

苏建亚 沈晋良

(南京农业大学农业部病虫监测与治理重点开放实验室,南京210095)

摘 要: 阿维菌素是一种高效安全的大环内酯杀虫杀螨剂。本文介绍了阿维菌素生物合成的步骤及参与合成步骤的有关酶系统和基因簇。对阿维菌素8个组分合成的遗传控制基因,特别是对其中B 1a 组分合成的遗传控制位点进行讨论分析,并介绍了利用途径工程改造阿维链霉菌生产合成单一高效组分B 1a 和提高活性组分产量的研究进展。

关键词: 阿维菌素 途径工程 杀虫剂 基因工程 生物合成

Biosynthesis and Pathway Engineering of Abamectin

Su Jianya Shen Jinliang

(K e y L aboratory o f M onitoring and M anagement of Plant Disease and Insects M inistry of

Agr icultu re Nanj ing Agricultur al Univer sity,Na nj ing 210095)

Abstract: Abamectin is a highly effective and safety macrolide insecticide.T his paper reviewed the pathw ay of abamectin biosynthesi s,and the enzyme system and gene cluster involved in the biosynthesis.T he genes that gov ern the synt hesis of 8abamectin components were analyzed,and especially genet ic co ntrolling sites o f the component B 1a synthesis w ere discussed.T he research progr esses achiev ed in the production of single highly effectiv e component B 1a and y ield in -crease of active components w ith the aid of pat hw ay engineer ing to modify Streptomyces av ermitilis were rev iewed.

Key words : A bamectin Pathway eng ineering Insecticide Gene engineer ing Biosynthesis

途径工程(Pathw ay Engineering)是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络,并通过DNA 重组技术合理设计细胞代谢途径及进行遗传修饰,进而完成细胞特性改造的应用性学科。20多年来,随着DNA 重组技术的日趋成熟,途径工程的理论和应用也得到了迅速发展,该领域在工业、生物制药、环境保护、农业等各方面均表现出广阔的应用前景[1]。

在农作物病虫害防治中,许多农药是由微生物发酵产生,杀虫剂如阿维菌素、多杀菌素、米拜菌素、南昌霉素,杀菌剂如井冈霉素等。在弄清这些化合物在微生物体内的生物合成途径与遗传控制机制的基础上,通过定向改变细胞内代谢途径的分布与代谢流重构代谢网络,可提高目标代谢物的产量,提高工业化生产的得率,降低生产成本。

阿维菌素是由阿维链霉菌(Strep tomyces aver -mitilis )产生的大环内酯抗生素类杀虫剂,是一组由十六元环内酯与一个齐墩果糖生成的苷(图1,表1),在十六元环内酯周围还有一个含有2个六元环的螺缩酮及六氢苯并呋喃环。发酵产物中含有8个结构十分相似的化合物。商业化产品阿维菌素1.8%乳油中的有效成份80%为阿维菌素B 1a ,20%为阿维菌素B 1b 。将阿维菌素的B1组分选择性还原22与23位不饱和双键而合成的伊维菌素(iver -mectin),较原来的阿维菌素对高等动物的毒性大大降低,伊维菌素商业化产品的有效成份为:伊维菌素B 1a >80%,伊维菌素B 1b <20%[2]。

1 阿维菌素的合成途径

阿维菌素的生物合成可分为3个阶段[2,3,4,5]

(图2)。

基金项目:国家自然科学基金项目(39900093)

通讯作者:苏建亚,Tel:86-25-4395339;Fax:86-25-4395246;Email:sjy@

生物技术通报

综述与专论

BIOTECHNOLOGY BULLETIN

2003年第6期

第一阶段:聚酮链的延伸

大环内酯类抗生素大都属于聚酮类物质,如红霉

素、雷帕霉素、利福霉素、米拜菌素、泰乐菌素、梅岭霉菌等,

这类聚酮结构的生物合成过程均呈现相似的规

图1 阿维菌素的组分与结构

表1 阿维菌素的组分与结构

组分R1R2X -Y 阿维菌素

A 1a CH 3C 2H 5CH =CH A 1b CH 3CH 3CH =CH A 2a CH 3C 2H 5CH 2-CH(OH)A 2b CH 3CH 3CH 2-CH(OH)

B 1a H

C 2H 5CH =CH B 1b H CH 3CH =CH B 2a H C 2H 5CH 2-CH(OH)B 2b

H CH 3CH 2-CH(OH)伊维菌素

B 1a H

C 2H 5CH 2-CH 2B 1b

H

CH 3

CH 2-CH

2

图2 阿维菌素的生物合成途径

律[1,6]。阿维菌素的聚酮是通过在起始单位(2-甲基丁酸或异丁酸)上按PA -A -A -A -P -P -A -P -A -P -A(P -丙

酰,A -乙酰)的顺序添加12个酰基缩合而成的。每个延伸单位通过一组生物合成反应被加入到链中,链延

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2003年第6期

苏建亚等:阿维菌素的生物合成与途径工程