Metabolite profiling and kinetic modeling of antibiotic producing Streptomyces coelicolor in response to metabolic switching triggered by nutrient depletion
Description
Full text not available
Abstract
Rask framvekst av antibiotikaresistens i patogene bakteriar er ei global helsekrise. Handtering av denne krisa krev rask oppdaging og effektiv produksjon av nye antibiotiske biosyntetiske genklynger (BGC). Ein potensiell supervert for heterogen produksjon av nye bioaktive molekyler er Streptomyces coelicolor M1152ΔmatAB. M1152ΔmatAB har fleire fordeler samanlikna med villtypen M145. Dei fire viktigaste BGC-ene er fjerna for å redusere konkurransen om forløpar, og danning av mycel-pellet er redusert ved sletting av matAB. Effektane av genomiske endringar i M1152ΔmatAB på deira metabolom under primær og sekundær metabolisme er ikkje forstått. For å studere potensialet til M1152ΔmatAB blei det gjort metabolsk profilering av stamma, der actinorhodin BGC-en er vorte attendeført. Hovudmålet for dette var å definere dei unike metabolske og kinetiske eigenskapane til M1152ΔmatAB+Act, når den omstrukturerer den sentrale karbonmetabolismen som respons på nitrogen- eller fosfatutarming, den sokalla metabolske brytaren. Denne metoden gjorde det mogeleg å korrelere forskjellane i vekst, aktinorhodinproduksjon og karbonopptakshastigheiter til endringar i den sentrale karbonmetabolismen under og etter overgangen til sekundærmetabolisme. Målretta capIC-MS/MS og UPLC-MS/MS metodar vart brukt for å kvantifisere intracellulære metabolitter, til dømes aminosyrer, organiske syrer og nukleosidfosfater, i tidsserieprøver samla fra batchdyrking. Ein generell nedgang i fosforylerte metabolitter vart observert under fosfatavgrensning og nitrogenavgrensning, og ga ein generell nedgang i organiske syrer og aminosyrer. Det fosfatbegrensede mediet gav høgare Act-produksjonsutbytte enn det L-glutamatbegrensede mediet. Den logistiske vekstmodellen i kombinasjon med Luedeking-Piret-modellen var tilstrekkelig for å beskrive veksten, actinorhodindannelsen og karbonopptakshastighetene berre i fosfatbegrenset medium. M1152ΔmatAB + Akt dyrka i fosfatbegrenset medium gav høgare Act-produksjonshastigheit enn rapporterte verdiar frå M145. Dei førebels resultata tyder på at M1152ΔmatAB bør granskast vidare som ein mogeleg vert for heterologt BGC-ekspresjon. The rapid emergence of antibiotic resistance in pathogenic bacteria is a global health crisis. Central to managing this crisis is quick discovery and efficient production of novel antibiotic biosynthetic gene clusters (BGC). A potential super-host for the heterologous production of novel bioactive compounds is Streptomyces coelicolor M1152ΔmatAB. The strain has several advantages compared to the wild-type strain M145. The four major BGCs have been removed to decrease the competition for precursor metabolites, and deletion of matAB has reduced mycelial pellet formation. Nevertheless, the effects of the genomic changes in M1152ΔmatAB on its metabolome during primary and secondary metabolism are not understood. In order to study the potential of M1152ΔmatAB as a host, metabolic profiling of the strain, in which the actinorhodin BGC has been reintroduced, was conducted. The main aim was to define the unique metabolic and kinetic characteristics of M1152ΔmatAB+Act as it restructures its central carbon metabolism (CCM) in response to nitrogen or phosphate depletion, the so-called metabolic switch. This method allowed the differences in growth, actinorhodin production, and carbon uptake rates to be correlated to changes in the CCM during and after the transition to secondary metabolism. Targeted capIC-MS/MS and UPLC-MS/MS methods were utilized to quantify intracellular metabolites, e.g., amino acids, organic acids, and nucleoside phosphates, in time-series samples gathered from batch cultivations. A general decline in phosphorylated metabolites was observed during phosphate limitation, and nitrogen limitation yielded a general decline in organic acids and amino acids. The logistic growth model, in combination with the Luedeking-Piret model, was only able to sufficiently describe the growth, actinorhodin formation, and carbon uptake rates in phosphate limited medium. M1152ΔmatAB+Act cultivated in phosphate limited medium yielded higher Act production rates than reported values from M145. The preliminary results suggest that M1152ΔmatAB should be studied further as a potential host for heterologous BGC-expression.