《Nature Communications》：Enhancing microbial metabolic capacity through high-energy electron beam-induced intense structural variations
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本研究为解决小分子代谢产物（关键药物资源）微生物生产中代谢激活效率低、遗传变异诱导难的问题，研究人员开展了利用高能脉冲电子束（HEPE）高效诱导DNA双链断裂（DSBs）和结构变异（SVs）的主题研究。结果发现，HEPE在保留细胞活性的同时，能有效诱导广泛的SVs，重塑基因组序列和3D染色质结构，从而激活次级代谢产物合成。该方法成功应用于多种微生物，显著提高了克拉维酸、微菌素J25和洛伐他汀等产物的产量，为隐蔽代谢物的发现和工业菌株开发提供了强大工具。
在生命科学和药物研发领域，小分子代谢产物是一座蕴藏着无数潜在新药的宝库。然而，这些宝贵的化合物通常深深隐藏在生物体复杂的代谢网络（代谢组）中，产量极低，难以被有效发现和利用。利用微生物进行规模化生产是解决这一难题的理想路径，但前提是必须激活微生物自身的“生产潜能”，即其代谢能力。这往往需要高效的遗传变异来“唤醒”那些沉默的基因簇。在众多遗传变异中，基因组结构变异（Structural Variants， SVs）被认为是驱动表型多样性和生物进化的关键引擎。但如何在微生物中高效、可控地诱导SVs，同时保证细胞存活以进行后续筛选，一直是一个棘手的挑战。
传统上，研究人员会使用各种辐照方法进行诱变，但它们常常面临一个两难困境：诱导足够多DNA双链断裂（DNA Double-Strand Breaks， DSBs， 这是形成SVs的关键前提）的剂量，往往会严重损伤细胞甚至导致死亡；而降低剂量保全细胞时，SVs的诱导效率又太低。这使得通过传统诱变改良生产菌株成为一个漫长且繁重的工作，犹如大海捞针。
那么，是否存在一种方法，能够像一把精准的“基因组手术刀”，既能高效地切割DNA以引发剧变，又能最大程度地保全细胞的“生命体征”呢？为了回答这个问题，一项发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的研究进行了系统性探索。研究人员比较了六种不同的辐照技术对 Streptomyces lividans 1326（一种常用于次级代谢产物研究的链霉菌）的作用效果。他们惊喜地发现，高能脉冲电子束（High-Energy Pulsed Electron Beams， HEPE）脱颖而出，展现出独特的优势。
为了开展这项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，系统性地比较了包括HEPE在内的六种不同辐照技术（如γ射线、连续电子束等）对模式菌株的诱变效果。其次，利用高通量代谢组学（High-Throughput Metabolomics）技术对诱变后的菌株代谢产物进行大规模、无偏倚的检测与分析。再者，结合全基因组测序和生物信息学分析来鉴定HEPE诱导产生的具体SVs类型和分布。此外，还采用了染色体构象捕获（3C）类技术来研究HEPE对微生物三维染色质结构的影响。最后，将筛选到的优良突变菌株应用于多种目标代谢产物（如克拉维酸、微菌素J25、洛伐他汀）的发酵生产，以验证其工业应用潜力。
研究结果
HEPE在诱导DSBs与保留细胞活性间取得最佳平衡
通过系统比较，研究发现HEPE能够最有效地在微生物细胞中诱导强烈的DSBs，同时相较于其他辐照技术（如γ射线），它能更好地维持细胞的完整性（存活率）。这破解了传统诱变中效率与存活不可兼得的难题，为后续高效筛选奠定了基础。
HEPE诱导产生广泛而丰富的基因组结构变异（SVs）
全基因组测序分析揭示，经HEPE处理的菌株基因组中产生了大量、多样化的SVs，包括大片段缺失、插入、倒位、复制等。这些变异并非随机分布，而是显著地重塑了基因组的一维序列排布。
HEPE重塑微生物三维染色质结构
研究进一步发现，HEPE诱导的SVs深刻地改变了基因组的空间组织形式，即三维染色质结构。这种空间结构的重塑被认为影响了基因簇（如次级代谢产物合成基因簇）的可接近性和表达调控，是激活沉默代谢途径的关键机制之一。
HEPE-HiTMS平台成功发现新型次级代谢产物
将HEPE诱变与高通量代谢组学筛选相结合（HEPE-HiTMS），研究人员从处理后的菌株代谢组中发现了两种具有不寻常碳-氮键（C-N linkage）结构的新型次级代谢产物。这证明了该技术在挖掘“隐蔽”或全新天然产物方面的强大能力。
HEPE显著提升多种重要代谢产物的工业产量
将HEPE技术应用于多种不同的工业生产菌株，取得了突破性的成果：实现了创纪录的克拉维酸（clavulanic acid， 一种β-内酰胺酶抑制剂）和微菌素J25（microcin J25， 一种抗菌肽）产量；同时，也显著提高了洛伐他汀（lovastatin， 一种降胆固醇药物）的产率。这充分展示了其跨物种应用的普适性和巨大工业价值。
研究结论与意义
本研究系统论证了高能脉冲电子束（HEPE）作为一种革命性微生物诱变技术的有效性和优越性。其核心在于，它能够以一种相对“温和”但极其“高效”的方式，对微生物基因组进行“剧烈改造”——在诱导高强度DNA双链断裂（DSBs）以产生大量结构变异（SVs）的同时，最大限度地减少细胞毒性，保障了突变菌株库的存活与可筛选性。这些被诱导的SVs不仅改变了基因组的线性序列，更重塑了其三维空间结构，从而有效解除了对沉默次级代谢基因簇的抑制，激活了新的代谢通路。
这项研究的结论具有多重重要意义。在基础科学层面，它提供了一种强大的工具来研究结构变异（SVs）如何驱动基因组进化与表型创新，特别是在微生物次级代谢调控这一复杂领域。在技术应用层面，HEPE以及由此建立的HEPE-HiTMS平台，为快速发现具有新颖结构的天然药物先导化合物（即“隐蔽代谢物”）提供了高效流水线。最重要的是，在生物制造和工业生物技术领域，HEPE为抗生素、他汀类药物等重要微生物发酵产品的生产菌株改良，提供了一种速度快、效率高、普适性强的全新育种策略，有望大幅缩短研发周期、提升产物产量，具有广阔的产业化应用前景。
