Shewanella oneidensis MR-1 has the ability to inhale certain metals and chemical compounds and exhale these materials in an altered state; as a result, this microorganism has been widely applied in bioremediation protocols. However, the relevant characteristics of cell growth and biosynthesis of PuFAs have yet to be thoroughly investigated. Therefore, in this study, we have attempted to characterize the growth and fatty acid profiles of S. oneidensis MR-1 under a variety of temperature conditions. The fastest growth of S. oneidensis MR-1 was observed at $30^{\circ}C$, with a specific growth rate and doubling time of $0.6885h^{-1}\;and\;1.007 h$. The maximum cell mass of this microorganism was elicited at a temperature of $4^{\circ}C$. The eicosapentaenoic acid (EPA) synthesis of S. oneidensis MR-1 was evaluated under these different culture temperatures. S. oneidensis MR-1 was found not to synthesize EPA at temperatures in excess of $30^{\circ}C$, but was shown to synthesize EPA at temperatures below $30^{\circ}C$. The EPA content was found to increase with decreases in temperature. We then evaluated the EPA biosynthetic pathway, using a phylogenetic tree predicted on 16s rRNA sequences, and the homology of ORFs between S. oneidensis MR-1 and Shewanella putrefaciens SCRC-2738, which is known to harbor a polyketide synthase (PKS)-like module. The phylogenetic tree revealed that MR-1 was very closely related to both Moritella sp., which is known to synthesize DHA via a PKS-like pathway, and S. putrefaciens, which has been reported to synthesize EPA via an identical pathway. The homology between the PKS-like module of S. putrefaciens SCRC-2738 and the entire genome of S. oneidensis MR-1 was also analyzed, in order to mine the genes associated with the PKS-like pathway in S. oneidensis MR-1. A putative PKS-like module for EPA biosynthesis was verified by this analysis, and was also corroborated by the experimental finding that S. oneidensis MR-1 was able to synthesize EPA without the expression of $dihomo-{\gamma}-linoleic$ acid (DGLA) and arachidonic acid (AA) formed during EPA synthesis via the FAS pathway.
The putative EPA synthesis gene cluster was mined from the entire genome sequence of Shewanella oneidensis MR-1. The gene cluster encodes a PKS-like pathway that consists of six open reading frames (ORFs): ORFSO1602 (multi-domain beta-ketoacyl synthase, KS-MAT-4ACPs-KR), ORFSO1600 (acyl transferase, AT), ORFSO1599 (multi-domain beta-ketoacyl synthase, KS-CLF-DH-DH), ORFSO1597 (enoyl reductase, ER), ORFSO1604 (phosphopentetheine transferase, PPT), and ORFSO1603 (transcriptional regulator). In order to prove involvement of the PKS-like machinery in EPA synthesis, a 20.195-kb DNA fragment containing the genes was amplified from S. oneidensis MR-1 by the long-PCR method. Its identity was confirmed by the methods of restriction enzyme site mapping and nested PCR of internal genes orfSO1597 and orfSO1604. The DNA fragment was cloned into Escherichia coli using cosmid vector SuperCos1 to form pCosEPA. Synthesis of EPA was observed in four E. coli clones harboring pCosEPA, of which the maximum yield was 0.689% of the total fatty acids in a clone designated 9704-23. The production yield of EPA in the E. coli clone was affected by cultivation temperature, showing maximum yield at $20^{\circ}C$ and no production at $30^{\circ}C$ or higher. In addition, production yield was inversely proportional to glucose concentration of the cultivation medium. From the above results, it was concluded that the PKS-like modules catalyze the synthesis of EPA. The synthetic process appears to be subject to regulatory mechanisms triggered by various environmental factors. This most likely occurs via the control of gene expression, protein stability, or enzyme activity.
Fungal secondary metabolites constitute a wide variety of compounds which either playa vital role in agricultural, pharmaceutical and industrial contexts, or have devastating effects on agriculture, animal and human affairs by virtue of their toxigenicity. Owing to their beneficial and deleterious characteristics, these complex compounds and the genes responsible for their synthesis have been the subjects of extensive investigation by microbiologists and pharmacologists. A majority of the fungal secondary metabolic genes are classified as type I polyketide synthases (PKS) which are often clustered with other secondary metabolism related genes. In this review we discuss on the significance of our recent discovery of chalcone synthase (CHS) genes belonging to the type III PKS superfamily in an industrially important fungus, Aspergillus oryzae. CHS genes are known to playa vital role in the biosynthesis of flavonoids in plants. A comparative genome analyses revealed the unique character of A. oryzae with four CHS-like genes (csyA, csyB, csyC and csyD) amongst other Aspergilli (Aspergillus nidulans and Aspergillus fumigatus) which contained none of the CHS-like genes. Some other fungi such as Neurospora crassa, Fusarium graminearum, Magnaporthe grisea, Podospora anserina and Phanerochaete chrysosporium also contained putative type III PKSs, with a phylogenic distinction from bacteria and plants. The enzymatically active nature of these newly discovered homologues is expected owing to the conservation in the catalytic residues across the different species of plants and fungi, and also by the fact that a majority of these genes (csyA, csyB and csyD) were expressed in A. oryzae. While this finding brings filamentous fungi closer to plants and bacteria which until recently were the only ones considered to possess the type III PKSs, the presence of putative genes encoding other principal enzymes involved in the phenylpropanoid and flavonoid biosynthesis (viz., phenylalanine ammonia-lyase, cinnamic acid hydroxylase and p-coumarate CoA ligase) in the A. oryzae genome undoubtedly prove the extent of its metabolic diversity. Since many of these genes have not been identified earlier, knowledge on their corresponding products or activities remain undeciphered. In future, it is anticipated that these enzymes may be reasonable targets for metabolic engineering in fungi to produce agriculturally and nutritionally important metabolites.
Proceedings of the Korean Society for Applied Microbiology Conference
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2002.10a
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pp.18-25
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2002
The pikromycin biosynthetic system in Streptomyces venezuleae is unique for its ability to produce two groups of antibiotics that include the 12-membered ring macrolides methymycin and neomethymycin, and the 14-membered ring macrolides narbomycin and pikromycin. The metabolic pathway also contains two post polyketide-modification enzymes, a glycosyltransferase and P450 hydroxylase that have unusually broad substrate specificities. In order to explore further the substrate flexibility of these enzymes a series of hybrid polyketide synthases were constructed and their metabolic products characterized. The plasmid-based replacement of the multifunctional protein subunits of the pikromycin PKS in S. venezuelae by the corresponding subunits from heterologous modular PKSs resulted in recombinant strains that produce both 12- and 14-membered ring macrolactones with predicted structural alterations. In all cases, novel macrolactones were produced and further modified by the DesVII glycosyltransferase and PikC hydroxylase leading to biologically active macrolide structures. These results demonstrate that hybrid PKSs in S. venezuelae can produce a multiplicity of new macrolactones that are modified further by the highly flexible DesVII glycosyltransferase and PikC hydroxylase tailoring enzymes. This work demonstrates the unique capacity of the S. venezuelae pikromycin pathway to expand the toolbox of combinatorial biosynthesis and to accelerate the creation of novel biologically active natural products. The polyketide backbone of rifamycin B is assembled through successive condensation and ${\beta}$-carbonyl processing of the extender units by the modular rifamycin PKS. The eighth module, in the RifD protein, contains nonfunctional DH domain and functional KR domain, which specify the reduction of the ${\beta}$-carbonyl group resulting in the C-21 bydroxyl of rifamycin B. A four amino acid substitution and one amino acid deletion were introduced in the putative NADPH binding motif in the proposed KR domain encoded by rifD. This strategy of mutation was based on the amino acid sequences of the corresponding motif of the KR domain of module 3 in the RifA protein, which is believed dysfunctional, so as to introduce a minimum alteration and retain the reading frame intact, yet ensure loss of function. The resulting strain produces linear polyketides, from tetraketide to octaketide, which are also produced by a rifD disrupted mutant as a consequence of premature termination of polyketide assembly. Much of the structural diversity within the polyketide superfamily of natural products is due to the ability of PKSs to vary the reduction level of every other alternate carbon atom in the backbone. Thus, the ability to introduce heterologous reductive segments such as ketoreductase (KR), dehydratase (DH), and enoylreductase (ER) into modules that naturally lack these activities would increase the power of the combinatorial biosynthetic toolbox. The dehydratase domain of module 7 of the rifamycin PKS, which is predicted to be nonfunctional in view of the sequence of the apparent active site, was replaced with its functional homolog from module 7 of rapamycin-producing polyketide synthase. The resulting mutant strain behaved like a rifC disrupted mutant, i.e., it accumulated the heptaketide intermediate and its precursors. This result points out a major difficulty we have encountered with all the Amycolatopsis mediterranei strain containing hybrid polyketide synthases: all the engineered strains prepared so far accumulate a plethora of products derived from the polyketide chain assembly intermediates as major products instead of just analogs of rifamycin B or its ansamycin precursors.
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