Refactoring and Heterologous Expression of Class III Lanthipeptide Biosynthetic Gene Clusters Lead to the Discovery of N,N-Dimethylated Lantibiotics from Firmicutes

厚壁菌 镧系元素 异源表达 生物 异源的 重构代码 计算生物学 基因 遗传学 细菌 计算机科学 重组DNA 16S核糖体RNA 程序设计语言 软件 乳酸链球菌素
作者
Dan Xue,Zhuo Shang,Ethan A. Older,Zheng Zhong,Conor Pulliam,Kyle Peter,Mitzi Nagarkatti,Prakash Nagarkatti,Yong‐Xin Li,Jie Li
出处
期刊:ACS Chemical Biology [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 508-517 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acschembio.2c00849
摘要

Class III lanthipeptides are an emerging subclass of lanthipeptides, representing an underexplored trove of new natural products with potentially broad chemical diversity and important biological activity. Bioinformatic analysis of class III lanthipeptide biosynthetic gene cluster (BGC) distribution has revealed their high abundance in the phylum Firmicutes. Many of these clusters also feature methyltransferase (MT) genes, which likely encode uncommon class III lanthipeptides. However, two hurdles, silent BGCs and low-yielding pathways, have hindered the discovery of class III lanthipeptides from Firmicutes. Here, we report the design and construction of a biosynthetic pathway refactoring and heterologous overexpression strategy which seeks to overcome these hurdles, simultaneously activating and increasing the production of these Firmicutes class III lanthipeptides. Applying our strategy to MT-containing BGCs, we report the discovery of new class III lanthipeptides from Firmicutes bearing rare N,N-dimethylations. We reveal the importance of the first two amino acids in the N-terminus of the core peptide in controlling the MT dimethylation activity. Leveraging this feature, we engineer class III lanthipeptides to enable N,N-dimethylation, resulting in significantly increased antibacterial activity. Furthermore, the refactoring and heterologous overexpression strategy showcased in this study is potentially applicable to other ribosomally synthesized and post-translationally modified peptide BGCs from Firmicutes, unlocking the genetic potential of Firmicutes for producing peptide natural products.
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