Modular Biosynthesis of Peptidyl Nucleoside Inhibitors targeting Fungal Chitin Synthetases = 곰팡이의 키틴 합성효소 표적 펩티딜 뉴클레오사이드 억제제의 모듈식 생합성

국문 초록 (Abstract)

펩티딜 뉴클레오시드 항생제(예: 폴리옥신)는 강력한 항진균제 후보 물질이 지만, 야생 균주에서의 낮은 생산성으로 인해 개발에 한계가 있다. 본 연구는 Streptomyces에서의 모듈형 합성생물학 플랫폼 구축을 통해 이 문제를 해결하고자 했다. 연구 과정에서, 복잡한 BGC의 이종 발현 시 표준 적인 코돈 최적화 전략이 간과했던 치명적인 병목 현상, 즉 잠재적 전사 종 결자(Rho-dependent 포함)로 인한 심각한 전사 감쇠(transcriptional attenuation) 현상을 규명했다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 고도화된 데이터 기반 오페론 설계 전 략을 개발했다. 이 새로운 파이프라인은 번역 개시를 최적화하는 iDOG 알 고리즘과 신경망 기반의 BacTermFinder를 통합하여 모든 유형의 전사 종결 자를 체계적으로 제거한다. 이 전략을 적용하여 코어 모듈(Pol-M1-I0)을 재 합성한 결과, 그 우수성이 입증되었다. RNA-seq 분석을 통해 오페론 전반의 안정적인 전장(full-length) 전사를 확인했으며, HILIC 분석으로 생산적인 대사 산물 프로필로의 전환을 검증했다. 본 연구는 복잡한 2차 대사산물 BGC의 신뢰할 수 있는 발현을 위한 강력한 파이프라인을 확립했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Peptidyl nucleoside natural products, such as polyoxins, represent promising antifungal agents; however, their application is limited by low production titers. This study establishes a robust, modular synthetic biology platform in Streptomyces to address this limitation. A key innovation is the identification and resolution of severe transcriptional attenuation, a critical failure point in standard biosynthetic gene cluster (BGC) expression caused by cryptic terminators, including Rho-dependent terminators, which are frequently overlooked during conventional codon optimization.
To address this challenge, an advanced, data-driven operon design strategy was developed. This novel pipeline integrates the iDOG algorithm, which facilitates translation initiation, with BacTermFinder, a neural network-based tool, to screen and eliminate all types of transcriptional terminators.
The effectiveness of this strategy was demonstrated through the resynthesis of a core module (Pol-M1-I0). RNA-seq analysis confirmed stable, full-length transcription, thereby resolving the attenuation bottleneck. Additionally, HILIC analysis revealed a productive metabolic shift, further validating the module's function. This study establishes a reliable pipeline for the predictable, high-level expression of complex secondary metabolite BGCs.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ⅱ
• ABSTRACT ⅲ
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Result and Discussion 6
• 1.1. Promoter Engineering of Native Polyoxin BGC 6
• 1.2. First-Generation Bottom-Up Modular Synthesis and Problem Identification 11
• 1.2.1. Design and Synthesis of First-Generation Modules 11
• 1.2.2. Development of an Analytical Method for Highly Polar Intermediates 14
• 1.2.3. Validation of First-Generation Modules and Identif ication of Transcriptional Bottlenecks 16
• 1.3. Data-Driven Optimization and Resynthesis of the Core Scaffold Module 22
• 1.3.1. Advanced Operon Design Strategy 22
• 1.3.2. Promoter Engineering of Native Polyoxin BGC 22
• 1.3.3. Comparative Validation of the Optimized Core Module 25
• Ⅲ. Conclusion 29
• Ⅳ. Materials and Methods 31
• References 34
• Abstract (in Korean) 38