To construct a versatile model host for heterologous expression of genes encoding secondary metabolite biosynthesis, the genome of the industrial microorganism Streptomyces avermitilis was systematically deleted to remove nonessential genes. A region of more than 1.4 Mb was deleted stepwise from the 9.02-Mb S. avermitilis linear chromosome to generate a series of defined deletion mutants, corresponding to 83.12–81.46% of the wild-type chromosome, that did not produce any of the major endogenous secondary metabolites found in the parent strain. The suitability of the mutants as hosts for efficient production of foreign metabolites was shown by heterologous expression of three different exogenous biosynthetic gene clusters encoding the biosynthesis of streptomycin (from S. griseus Institute for Fermentation, Osaka [IFO] 13350), cephamycin C (from S. clavuligerus American type culture collection (ATCC) 27064), and pladienolide (from S. platensis Mer-11107). Both streptomycin and cephamycin C were efficiently produced by individual transformants at levels higher than those of the native-producing species. Although pladienolide was not produced by a deletion mutant transformed with the corresponding intact biosynthetic gene cluster, production of the macrolide was enabled by introduction of an extra copy of the regulatory gene pldR expressed under control of an alternative promoter. Another mutant optimized for terpenoid production efficiently produced the plant terpenoid intermediate, amorpha-4,11-diene, by introduction of a synthetic gene optimized for Streptomyces codon usage. These findings highlight the strength and flexibility of engineered S. avermitilis as a model host for heterologous gene expression, resulting in the production of exogenous natural and unnatural metabolites.

Significance Terpenes are generally considered to be plant or fungal metabolites, although a small number of odoriferous terpenes of bacterial origin have been known for many years. Recently, extensive bacterial genome sequencing and bioinformatic analysis of deduced bacterial proteins using a profile based on a hidden Markov model have revealed 262 distinct predicted terpene synthases. Although many of these presumptive terpene synthase genes seem to be silent in their parent microorganisms, controlled expression of these genes in an engineered heterologous Streptomyces host has made it possible to identify the biochemical function of the encoded terpene synthases. Genes encoding such terpene synthases have been shown to be widely distributed in bacteria and represent a fertile source for discovery of new natural products.

An industrial microorganism, Streptomyces avermitilis, which is a producer of anthelmintic macrocyclic lactones, avermectins, has been constructed as a versatile model host for heterologous expression of genes encoding secondary metabolite biosynthesis. Twenty of the entire biosynthetic gene clusters for secondary metabolites were successively cloned and introduced into a versatile model host S. avermitilis SUKA17 or 22. Almost all S. avermitilis transformants carrying the entire gene cluster produced metabolites as a result of the expression of biosynthetic gene clusters introduced. A few transformants were unable to produce metabolites, but their production was restored by the expression of biosynthetic genes using an alternative promoter or the expression of a regulatory gene in the gene cluster that controls the expression of biosynthetic genes in the cluster using an alternative promoter. Production of metabolites in some transformants of the versatile host was higher than that of the original producers, and cryptic biosynthetic gene clusters in the original producer were also expressed in a versatile host.