格尔登素是一种重要的天然产物,它可以和肿瘤细胞的热激蛋白HSP90结合,具有强抗肿瘤活性。目前格尔登素的衍生物17-AAG,17-DMAG已处在不同的临床鉴定阶段。由于其结构的复杂性,格尔登素难以通过化学方法全合成,主要由链霉菌发酵获得。因此,有必要通过代谢工程方法改造格尔登素的产生菌,实现格尔登素的产量提高。本研究首先建立了格尔登素产生菌吸水链霉菌XM201的遗传操作体系,为后期遗传改造提供基础。随后对其进行了基因组精细图谱的测定和转录组的测序。基因组测序表明XM201拥有一条12 Mb的线性染色体。该染色体包含一个6 Mb的保守核心区,分布有和核酸代谢、蛋白质翻译、链霉菌分裂相关的基因;以及6 Mb的非核心区,包含有次级代谢基因簇的信息。编码初级代谢相关基因如碳水化合物代谢、脂肪酸代谢、能量产生等功能的基因平均分布于核心区和非核心区,然而在其他链霉菌中该类基因则主要分布在核心区。转录组分析显示,除了次级代谢合成相关的基因外,非核心区的基因在格尔登素发酵条件下基本都是低表达的。为了探究初级代谢对菌体生长及格尔登素合成的影响,本研究对编码中心碳代谢途径的基因进行了系统性敲除,并证明菌体生物量和格尔登素产量之间存在竞争关系,弱化TCA循环可以提高格尔登素的产量。通过对基因组中EMP途径和TCA循环的基因进行定位及表达水平分析,我们发现多数基因都具有数个同工基因,而位于核心区的同工基因转录水平普遍高于非核心区的同工基因。在对筛选出的18个基因进行了系统地敲除后,发酵结果显示,位于染色体核心区或转录水平较高的基因对格尔登素产量的贡献更大。此外,EMP途径基因的敲除提升了XM201的生物量,却降低了格尔登素的产量;而TCA循环基因的敲除则降低了菌体的生物量,提升了格尔登素的产量。因此,在格尔登素的发酵条件下,细胞的生物量积累和次级代谢产物的产生呈现竞争关系。通过弱化TCA循环(特别是敲除gltA、sdhA和fumC基因),可以有效地将冗余的生物量转化为抗生素产量。通过对格尔登素的合成前体丙二酰辅酶A、甲基丙二酰辅酶A的定量检测,我们发现TCA循环的弱化会导致丙二酰辅酶A含量的升高,这可能是TCA循环弱化可提高格尔登素产量的另一个原因。另一方面,利用在XM201中筛选出的高效启动子对PKS基因进行定向过表达,我们成功将格尔登素的产量提高了39%。后续对AHBA生物合成基因簇的过表达又可将产量提升35%。通过分析XM201的转录组数据,我们发现PKS延伸是格尔登素生物合成的限速步骤。qRT-PCR分析进一步显示,PKS基因在格尔登素发酵后期的表达水平较低。为了提高PKS基因的表达水平,我们通过转录数据评估、基因表达特征评估、抗性实验和XylE酶活测定等筛选过程,得到了5063p、6214p、7359p和7138p等在格尔登素发酵条件下活性较高的启动子,其中5063p在发酵后期活性最高。用强启动子5063p原位置换PKS基因的启动子之后,PKS基因的表达水平提升了4到141倍。在发酵后期,格尔登素的产素能力得以提高,产量上升了39%。在PKS基因过表达的基础上进一步对AHBA的合成基因进行串联过表达,将格尔登素的产量再次提高了35%。最终,经过上述两步的改造,格尔登素的产量从出发菌株的773 mg/L提高到了1,450 mg/L。综上所述,本研究在基因组和转录组信息指导下,通过对与格尔登素合成相关的两个重要过程进行系统性地研究,发现格尔登素的生物合成是一个受到初级代谢和自身生物合成基因的共同影响的复杂过程。通过弱化TCA循环和对PKS基因及AHBA生物合成基因的过表达,格尔登素的产量得到了有效提高。本研究为如何在基因组层面系统性地提高抗生素产量提供了借鉴。