1. 课题来源与背景 课题来源：国家自然科学基金委员会；项目类型：杰出青年基金项目；课题名称：微生物生理与生物化学；课题编号：31125001。 课题背景：由于陆生微生物的长期开发制约了新化合物的发现速率，近年来海洋微生物的资源开发日益受到重视。近年来，人们已从海洋微生物中发现了一系列结构新颖、高效低毒的抗菌、抗肿瘤和抗病毒化合物，如NPI0052（salinosporamide A）和一些糖苷类化合物如lomaiviticin A、halichoblelide、komodoquinone A 和neosurrugatoxin 等，有些已经成药，充分展示了海洋微生物在医药工业领域的巨大应用潜力。新颖的海洋微生物次生代谢产物必然蕴涵着新颖的生物合成机制，值得我们去探讨和学习。南海海洋微生物，尤其是可培养放线菌，具有意想不到的丰富多样性，这些丰富的放线菌资源亟待进一步开发利用。

    2. 研究的目的和意义 海洋微生物为适应高盐、低温、高压和寡营养等极端条件，进化出独特的次级代谢途径，用以合成结构新颖、活性显著的天然产物。研究发现，大多数具有成药潜力的海洋微生物代谢产物都含糖基化修饰和多环结构。项目充分利用海洋来源微生物资源，从中分离鉴定结构新颖、活性好的含糖基化修饰和多环结构天然产物，在此基础上学习自然规律，揭示多环生物合成机制，通过组合生物合成和合成生物学技术手段，合理改造和修饰合成途径，获取更具有药物研究价值的结构类似物。

    3. 主要研究结果： 海洋放线菌是新型重要资源。近年来海洋放线菌代谢产物及其生物合成一直备受关注。本项目立足于南海和印度洋来源的放线菌资源，从中分离鉴定次级代谢产物，阐明其生物合成机制，取得了如下成果： 3.1海洋放线菌代谢产物的分离鉴定：对8株海洋放线菌进行了10-20 L规模发酵，目前分离鉴定209个次级代谢产物，已发表135个，含65个新化合物，包括7个具有优良的抗菌和抗肿瘤细胞活性的化合物， 如具有螺环结构的新骨架化合物spiroindimicins A-D，罕见的N-N偶联的位阻异构二聚体diaxiamycins A-B等； 3.2海洋放线菌代谢产物的生物合成：克隆和鉴定了10个海洋放线菌代谢产物的生物合成基因簇，阐明了特殊的环化机制。（i）并阐明了xiamycin生物合成过程，揭示了环氧化酶XiaO、萜环合成酶XiaH和氧化酶XiaI通过氧化成环的方式完成了5环结构的分子组装，阐明了氧化酶XiaM通过三步羟基化将甲基变成羧基的功能和机理。（ii）证明了三个基因ikaABC足以介导海洋链霉菌产生的典型PTM化合物ikarugamycin的生物合成，阐明了脱氢酶IkaC以Michael加成反应的还原成环方式催化ikarugamycin内部5元环的形成；采用启动子工程策略，成功激活了 SCSIO 02999中沉默的PTM基因簇，产生了五个新颖的5-5-6环的PTM产物pactuamides A-E，并证明了脱氢酶PacC能同时催化六元环和五元环的形成。（iii）克隆和鉴定了海洋放线菌代谢产物totopotensamide、浅蓝霉素、spiroindimicins、piericidin、heronamides和fluostatin的生物合成基因簇，阐明了piericidin和浅蓝霉素的后修饰过程，heronamides双键位移机制和自发成环现象，通过异源表达fluostatin生物合成基因簇获得了新颖的异源二聚体difluostain A。 3.3糖基转移酶的功能和机理：阐明了友菌素保留型糖基转移酶AmiG的功能和反应可逆性，解析了AmiG的新颖的三维晶体结构；证实了lobophorin中三个糖lobG1-LobG3的功能；对ElaGT进行了功能确证和晶体结构解析；通过糖基化工程产生了15个结构多样化的糖苷类天然产物。

    4. 创见与创新： 在项目资助下，共发表SCI文章（通讯作者）24篇（含接受2篇），其中I区4篇（含3篇JACS，1篇Angew Chem），二区11篇（含8篇Org Lett，1篇ACS ChemBiol），以及其他领域内主流期刊9篇（含4篇J Nat Prod，1 篇Appl Environ Microbiol）。部分成果获得国内外关注。关于ikarugamycin 生物合成的文章被Faculty of 1000 推荐，并受邀撰写相关综述文章（Curr Top Med Chem, 2016, in press）；数篇文章入选天然产物领域权威期刊Nat Prod Rep 的“Hot off the press”；分离鉴定的新颖化合物被国内外科学家先后进行了全合成研究dixiamycin（JACS，2014, 5571），xiamycin （Nat Commun, 2015, 6096），spiroindimicins （Chem Commun, 2015, DOI:10.1039/C5CC09060A）；所发现的吲哚生物碱indimicins A-E 被Global Medical Discovery 遴选为”Key Drug Discovery”文章。

     5. 存在的问题： 部分海洋微生物天然产物结构不稳定，影响了结构和活性鉴定以及对其进行酶学催化机理的解析；部分化合物如spiroindimicins基因簇分散存在基因中，影响了生物合成的解析进度。

    6. 历年获奖情况： 2012年获得“全国优秀科技工作者”称号； 2013年中国科学院“百人计划”综期评估获得优秀 2014年入选“中青年科技创新领军人才“ 2014年入选“国家百千万人才工程“ 2014年入选广东省特支计划“百千万工程领军人才“。