Taxonomic characterization of a novel marine streptomyces and its application in nybomycin production enhancement through systems metabolic engineering

Abstract

Members of the genus Streptomyces are renowned for their ability to produce variety of natural products. Given the rising concern over the antibiotics resistance in the past decades, nybomycin has emerged as promising candidate to re-establish clinical effectiveness of fluoroquinolone antibiotics against Staphylococcus aureus. Consequently, isolating novel Streptomyces strains capable of efficiently producing known antibiotics remains crucial. Here we identified a new isolate from the coastal rhizosphere soil of Juniperus excelsa M. Bieb. on the Crimean Peninsula by a multiphase identification method. This isolate has been designated as Streptomyces explomaris. S. explomaris revealed promising performance as heterologous nybomycin producer when compared to other hosts. Global transcriptomic analysis indicated unfavorably downregulated genes, related to precursor supply including the pentose phosphate and the shikimate pathways. In contrast, the regulatory genes nybW and nybX were found up-regulated. Guided by these insights, stepwise metabolic engineering globally addressed the observed bottlenecks. After several rounds of optimization, S. explomaris NYB-3B achieved a significantly improved nybomycin titer of 57 mg L-1, about five-fold more than parental strain. Finally, S. explomaris NYB-3B was successfully applied to valorize commercially available seaweed hydrolysates, demonstrating the potential of sustainable marine-derived feedstocks for enhanced antibiotic production.

Die Vertreter der Gattung Streptomyces sind bekannt für ihre Fähigkeit, eine Vielzahl natürlicher Produkte zu synthetisieren. Angesichts der zunehmenden Besorgnis über Antibiotikaresistenzen in den letzten Jahrzehnten ist Nybomycin als vielversprechender Kandidat hervorgetreten, um die klinische Wirksamkeit der Fluorchinolon-Antibiotika gegenüber Staphylococcus aureus wiederherzustellen. Daher ist die Isolierung neuer Streptomyces-Stämme, die bekannte Antibiotika effizient produzieren können, von großer Bedeutung. In der vorliegenden Studie wurde mittels eines mehrstufigen Identifikationsverfahrens ein neuer Stamm aus der küstennahen Rhizosphären-Erde von Juniperus excelsa M. Bieb. auf der Halbinsel Krim isoliert. Dieser Stamm wurde als Streptomyces explomaris benannt. Im Vergleich zu anderen heterologen Produktionswirten zeigte S. explomaris eine vielversprechende Leistung als Produzent von Nybomycin. Eine globale transkriptomische Analyse offenbarte eine unerwünschte Herunterregulierung von Genen, die mit der Vorstufenversorgung in Verbindung stehen, insbesondere in den Stoffwechselwegen des Pentosephosphats und des Shikimats. Im Gegensatz dazu wurden die regulatorischen Gene nybW und nybX hochreguliert vorgefunden. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden schrittweise metabolische Optimierungen durchgeführt, um die beobachteten Engpässe systematisch zu beseitigen. Nach mehreren Optimierungsrunden erreichte der Stamm S. explomaris NYB-3B eine signifikant verbesserte Nybomycinausbeute von 57 mg L-1, etwa das Fünffache des Ausgangsstamms. Schließlich wurde der Stamm S. explomaris NYB-3B erfolgreich eingesetzt, um kommerziell verfügbare Algenhydrolysate aufzuwerten, was das Potenzial mariner nachwachsender Rohstoffe für eine nachhaltige und verbesserte Antibiotikaproduktion demonstriert.