Streptomyces as a Source of Natural Products and Industrial Enzymes

Abstract

Nature has gifted bacteria of the genus Streptomyces with immense metabolic potential, especially in their ability to produce a diverse array of natural products and enzymes. Many classes of natural products with antibiotic, antifungal, and anticancer activities were discovered in the 20th century and continue to be widely used in modern medicine. However, our demand for novel drugs continues to grow, while the rate of new molecule discovery steadily declines. Furthermore, Streptomyces remains a valuable source of industrially relevant enzymes with applications from the food industry to sustainable biofuel production.

My doctoral research aimed to harness the full biosynthetic potential encoded in Streptomyces genomes by applying diverse, but complementary strategies to activate natural products biosynthetic pathways and improve enzyme production. Microbial interactions with yeasts served as a potent natural trigger to induce the biosynthesis of multiple antifungal polyene compounds and yeast cell wall-degrading, carbohydrate-active enzymes. Through the combined use of microscopy, transcriptomics, and enzymatic activity assays, the study showed that Streptomyces deploys natural products and extracellular enzymes to degrade the cell walls and membranes of co-existing microorganisms, suggesting a form of facultative predatory behavior.

In addition, we developed single-cell mutant selection (SCMS) for targeted activation of silent biosynthetic gene clusters. SCMS, which integrates traditional random mutagenesis with reporter-guided selection and ultra-high-throughput screening, was particularly efficient in enhancing product yields. This was demonstrated by a 22.8-fold increase in cholesterol oxidase production without the need to optimize growth conditions, resulting in higher yields than through classical heterologous expression in Streptomyces or Escherichia coli model hosts. The method was also shown to be useful in increasing yields of natural products by an order of magnitude, demonstrating broad utility for pharmaceutical and biotechnological applications, particularly in the development of industrially applicable microbes

Luonto on varustanut Streptomyces-suvun bakteerit huomattavalla biosynteettisellä potentiaalilla, minkä ansiosta Streptomykeetit kykenevät tuottamaan laajan kirjon erilaisia luonnonyhdisteitä ja entsyymejä. Jo 1900-luvulla löydettiin useita Streptomykeettien tuottamia luonnonyhdisteitä, joita käytetään yhä laajasti nykylääketieteessä muun muassa antibiootteina, sienilääkkeinä ja syöpälääkkeeinä. Kuitenkin tarve uusille lääkkeille kasvaa jatkuvasti, mutta samalla uusien yhdisteiden löytäminen on hidastunut huomattavasti. Lisäksi Streptomykeetit ovat merkittävä lähde teollisesti tärkeille entsyymeille, joita hyödynnetään muun muassa elintarviketeollisuudessa ja kestävän biopolttoaineen tuotannossa.

Väitöskirjatutkimukseni tavoitteena oli hyödyntää Streptomykeettien genomien koko biosynteettinen potentiaali soveltamalla monipuolisia mutta toisiaan täydentäviä strategioita luonnonyhdisteiden biosynteesireittien aktivoimiseksi ja entsyymituotannon tehostamiseksi. Mikrobien väliset vuorovaikutukset toimivat tehokkaasti luonnollisina biosynteesireittien aktivoijina. Erityisesti Streptomykeettien vuorovaikutukset hiivojen kanssa aktivoivat useiden sienilääkkeinä toimivien polyeeniyhdisteiden sekä hiilihydraatteja muokkaavien entsyymien tuottoa. Yhdistimme tutkimuksessamme mikroskopian, transkriptomiikan ja entsyymien aktiivisuusmittausten menetelmiä, jotka yhdessä osoittivat Streptomykeettien käyttävän sekä luonnonyhdisteitä että solun ulkopuolisia entsyymejä kilpailevien mikrobien soluseinien ja -kalvojen hajottamiseen. Tämä osoittaa Streptomykeettien kykenevän saalistamaan muita mikrobeja fakultatiivisesti.

Lisäksi kehitimme yksittäissolutason mutanttivalintamenetelmän hiljaisten biosynteettisten geeniklusterien kohdennettua aktivointia varten. Menetelmä yhdistää perinteisen satunnaismutageneesin, reportteriohjatun valinnan ja erittäin korkean seulontakapasiteetin, minkä johdosta tämä menetelmä osoittautui erityisen tehokkaaksi tuotantomäärien kasvattamisessa. Menetelmää käyttämällä onnistuttiin lisäämään kolesterolioksidaasin tuotantoa 22,8-kertaisesti ilman kasvatusolosuhteiden optimointia, mikä johti korkeampiin tuottoihin kuin mitä on aiemmin saavutettu klassisella heterologisella ilmentämisellä. Menetelmä osoittautui hyödylliseksi myös luonnonyhdisteiden tuotannon tehostamisessa, mikä korostaa sen laajaa sovellettavuutta teollisten tuotantokantojen kehittämisessä lääke- ja bioteknologian aloilla