Filamentous marine cyanobacteria make a variety of bioactive molecules that are produced by polyketide synthases, non-ribosomal peptide synthetases, and hybrid pathways that are encoded by large biosynthetic gene clusters. These cyanobacterial natural products represent potential drugs leads; however, thorough pharmacological investigations have been impeded by the limited quantity of compound that is typically available from the native organisms. Additionally, investigations of the biosynthetic gene clusters and enzymatic pathways have been difficult due to the inability to conduct genetic manipulations in the native producers. Here we report a set of genetic tools for the heterologous expression of biosynthetic gene clusters in the cyanobacteria Synechococcus elongatus PCC 7942 and Anabaena (Nostoc) PCC 7120. To facilitate the transfer of gene clusters in both strains, we engineered a strain of Anabaena that contains S. elongatus homologous sequences for chromosomal recombination at a neutral site and devised a CRISPR-based strategy to efficiently obtain segregated double recombinant clones of Anabaena. These genetic tools were used to express the large 28.7 kb cryptomaldamide biosynthetic gene cluster from the marine cyanobacterium Moorena (Moorea) producens JHB in both model strains. S. elongatus did not produce cryptomaldamide, however high-titer production of cryptomaldamide was obtained in Anabaena. The methods developed in this study will facilitate the heterologous expression of biosynthetic gene clusters isolated from marine cyanobacteria and complex metagenomic samples.

中文翻译：

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隐麦芽酰胺在蓝细菌宿主中的异源表达

丝状海洋蓝细菌产生了多种生物活性分子，这些分子由聚酮化合物合酶，非核糖体肽合成酶以及由大型生物合成基因簇编码的杂合途径产生。这些蓝细菌天然产物代表潜在的药物线索。但是，由于通常只能从天然生物中获得的化合物数量有限，因此无法进行彻底的药理研究。另外，由于无法在天然生产者中进行基因操作，因此难以对生物合成基因簇和酶促途径进行研究。在这里，我们报告了一套遗传工具，用于在蓝细菌Synechococcus elongatus PCC 7942和Anabaena（Nostoc）PCC 7120中异源表达生物合成基因簇。为了促进两种菌株中基因簇的转移，我们设计了一个Anabaena菌株，该菌株包含一个S.longatatus同源序列，用于在中性位点进行染色体重组，并设计了一种基于CRISPR的策略来有效获得分离的Anabaena双重重组克隆。这些遗传工具被用来在两个模型菌株中表达来自海洋蓝藻Moorena（Moorea）产生的JHB的28.7 kb大型隐代丙二酰胺生物合成基因簇。伸长链球菌不产生隐麦芽酰胺，但是在鱼腥藻中获得了高滴度的隐麦芽酰胺生产。在这项研究中开发的方法将促进从海洋蓝细菌和复杂的宏基因组学样本中分离出来的生物合成基因簇的异源表达。用于在中性位点进行染色体重组的elongatus同源序列，并设计了一种基于CRISPR的策略来有效获得分离的鱼腥藻双重重组克隆。这些遗传工具被用来在两个模型菌株中表达来自海洋蓝藻Moorena（Moorea）产生的JHB的28.7 kb大型隐代丙二酰胺生物合成基因簇。伸长链球菌不产生隐麦芽酰胺，但是在鱼腥藻中获得了高滴度的隐麦芽酰胺生产。在这项研究中开发的方法将促进从海洋蓝细菌和复杂的宏基因组学样本中分离出来的生物合成基因簇的异源表达。用于在中性位点进行染色体重组的elongatus同源序列，并设计了一种基于CRISPR的策略来有效获得分离的鱼腥藻双重重组克隆。这些遗传工具被用来在两个模型菌株中表达来自海洋蓝藻Moorena（Moorea）产生的JHB的28.7 kb大型隐代丙二酰胺生物合成基因簇。伸长链球菌不产生隐麦芽酰胺，但是在鱼腥藻中获得了高滴度的隐麦芽酰胺生产。在这项研究中开发的方法将促进从海洋蓝细菌和复杂的宏基因组学样本中分离出来的生物合成基因簇的异源表达。这些遗传工具被用来在两个模型菌株中表达来自海洋蓝藻Moorena（Moorea）产生的JHB的28.7 kb大型隐代丙二酰胺生物合成基因簇。伸长链球菌不产生隐麦芽酰胺，但是在鱼腥藻中获得了高滴度的隐麦芽酰胺生产。在这项研究中开发的方法将促进从海洋蓝细菌和复杂的宏基因组学样本中分离出来的生物合成基因簇的异源表达。这些遗传工具被用来在两个模型菌株中表达来自海洋蓝藻Moorena（Moorea）产生的JHB的28.7 kb大型隐代丙二酰胺生物合成基因簇。伸长链球菌不产生隐麦芽酰胺，但是在鱼腥藻中获得了高滴度的隐麦芽酰胺生产。在这项研究中开发的方法将促进从海洋蓝细菌和复杂的宏基因组学样本中分离出来的生物合成基因簇的异源表达。