从生物合成的角度来说，这些复杂的化学结构都是由一些巨大的多功能复合酶体系合成的，他们利用初级代谢产生的短链的小分子羧酸或者氨基酸为起始和延伸单元，通过聚酮合酶PKS或者非核糖体多肽合成酶NRPS参与的生物化学反应形成骨架结构，然后通过羟基化或者糖基化等后修饰形成成熟的活性化合物。 聚酮合酶和非核糖体多肽合成酶是多模块复合酶，一般分成几个模块，每个模块负责一个组成单元的插入。每个模块又可以分成几个结构域，每个结构域催化特定的反应，比如腺苷化结构域A和酰基转移酶AT识别相应的单元，然后转移到硫醇化结构域上，通过缩合结构域或者酮基合成酶结构域跟增长的链进行缩合反应，最后通过TE结构释放或者环化成最终产物。每个模块还包括一些修饰的结构域。
一般编码同一次生代谢产物的生物合成酶的基因通常都集中在微生物染色体的一个区域，所以又称为生物合成基因簇，这些基因簇一般在10-100kb左右，而且已经在很多天然产物产生菌中发现。随着基因组测序技术的发展，越来越多的微生物被测序，在已经测序的微生物中发现，生物合成基因簇的数量要远远大于目前已知的天然产物的数量，比如在粘细菌的模式菌株黄色黏球菌中至少含有18个PKS/NRPS生物合成基因簇，在序列发表的时候还没有发现来自于该菌株的天然产物，截止到目前只发现了6个化合物，这说明，微生物还有很大的潜力和空间发现新的化学结构。因此在用基因组挖掘来描述开发微生物的生物合成潜力的努力，也就是发现从基因到化合物的过程，目标是通过基因发现新的天然产物。
基因组挖掘的策略有很多，按照宿主的不同分为两种策略：在原始产生菌中的同源表达。前者主要依赖在原始产生菌中的遗传操作激活生物合成基因簇，然后通过比较分析代谢产物图谱发现新的化合物。但是由于大多是产生菌都很难进行遗传操作，这种方法比较费时费力。第二种是在异源宿主中的异源表达，这种策略需要将完整的基因簇克隆到载体上然后转移到合适简单的宿主中表达，主要包括生物信息学预测，基因簇的克隆，修饰操作，转移，功能性表达，比较分析代谢产物图谱发现新化合物等等，虽然这个策略的应用还有不少挑战，比如现有的技术很难实现快速的大型基因簇的克隆和遗传操作或者不能满足后基因组时代高通量的要求，大型DNA片段在宿主间的转移，以及在异源宿主中基因簇可能不能有效的功能性表达，但是这种方法不但能够发现新的化合物，简化发酵条件或者优化产量，而且能更容易的利用组合生物合成的方法产生更多的衍生物。而且对于未培养微生物和宏基因组学，只能用异源表达的方法来发现新化合物。
山东大学张友明教授团队在Nature Protocols发表论文，系统阐述了基于Red/ET recombineering技术的生物合成途径直接克隆和异源表达体系，极大简化了大型生物合成基因簇的直接克隆及修饰过程，省时省力，并为基因簇在异源宿主中的功能性表达提供了解决方案，为利用异源表达策略发现天然产物奠定了基础。
全文链接：http://www.nature.com/nprot/journal/v11/n7/full/nprot.2016.054.html
RecET direct cloning and Redαβ recombineering of biosynthetic gene clusters, large operons or single genes for heterologous expression
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Hailong Wang, Zhen Li, Ruonan Jia, Yu Hou, Jia Yin, Xiaoying Bian, Aiying Li, Rolf Müller, A Francis Stewart, Jun Fu & Youming Zhang
Nature Protocols 11, 1175–1190 (2016) doi:10.1038/nprot.2016.054
本文参考以下相关文献：
Bode, H.B. & Müller, R. The impact of bacterial genomics on natural product research.Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 44, 6828–6846 (2005).
Fischbach, M.A. & Walsh, C.T. Assembly line enzymology for polyketide and nonribosomal Peptide antibiotics: logic, machinery, and mechanisms. Chem. Rev. 106, 3468–3496 (2006).
Ongley, SE; Bian, X; Neilan,BA.;Müller, R.Recent advances in the heterologousexpression of microbial natural product biosynthetic pathways. NaturalProduct Reports 30(8): 1121-1138, 2013
Bachmann BO1, Van Lanen SG, Baltz RH. Microbial genome mining for accelerated natural products discovery: is a renaissance in the making? J Ind Microbiol Biotechnol. 2014 Feb;41(2):175-84.
