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我所發展輔因子工程策略促進天然產物生物合成

  近日,我所合成微生物學研究組(1823組)周雍進研究員團隊與海軍軍醫大學藥學系張磊教授合作,在酚酸類天然產物合成生物學研究方面取得新進展。合作團隊在釀酒酵母中構建與優化了酚酸生物合成途徑,強化了關鍵輔因子的供給和周轉,實現了酚酸化合物的高效合成。

  近年來,合成生物學快速發展使得天然產物可持續供應走向現實,在微生物細胞中構建完整生物合成途徑,可實現系列復雜天然產物如青蒿酸、生物堿等的高效生物合成。釀酒酵母被廣泛應用于食品釀造,且其具有極強的可塑性、魯棒性和可靠的安全性,逐漸成為構建細胞工廠的主要平臺之一。目前,雖然酶工程和途徑工程已廣泛應用于提高酵母細胞工廠的性能,但其用于合成天然產物的效率有待進一步提高。

  在上述背景下,合作團隊致力于提升酚酸類天然產物合成效率。研究發現,細胞內輔因子參與的相關催化酶活性除了由酶表達量決定,還和輔因子水平有關,特別是表達外源酶時往往會面臨輔因子不匹配或者供應不足的限制。由此,周雍進團隊前期系統綜述了輔因子在天然產物合成中的重要價值,并提供了四種可行的輔因子工程方案:重建輔因子的生物合成;提升胞內/細胞器內輔因子的代謝水平;平衡輔因子的穩態,以及提高輔因子的活性形式(iScience,2020)。

  酵母中酚酸化合物之一咖啡酸生物合成需要輔因子FAD(H2)和NADPH,而阿魏酸的生物合成需要SAM作為甲基供體。本工作中,團隊通過改造中心代謝以提高NADPH供應、構建胞漿FAD(H2)合成途徑,以及將線粒體FAD(H2)導到胞漿以提高胞漿FAD(H2)供應等方式,顯著提高了咖啡酸生物合成效率,使其產量達到5.5g/L,遠高于文獻中已報道的0.8g/L。在此基礎上,團隊利用高表達甲基轉移酶,構建了阿魏酸生物合成途徑,進一步強化了甲基循環以解除甲基轉移酶抑制效應,提高了甲基供體輔因子SAM水平和SAM周轉,使得阿魏酸產量達到3.8g/L,遠高于文獻中已報道的0.04g/L。該工作揭示了酵母中不同輔因子調控規律,特別是細胞內不同細胞器之間的輔因子分配規律,為輔因子調控提供了理論指導。并且,該工作將為復雜活性天然產物(木脂素和多聚酚酸等)的高效合成提供充足前體,有望為天然產物新資源開發和瀕危中藥資源的可持續利用提供保障。

  相關研究成果以“Engineering Cofactor Supply and Recycling to Drive Phenolic Acid Biosynthesis in Yeast”為題,于近日發表在《自然-化學生物學》(Nature Chemical Biology)上。該工作的第一作者是我所1823組博士后陳瑞兵。上述工作得到國家重點研究計劃、國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金優秀青年基金、興遼英才計劃、我所科研創新基金等項目的資助。(文/圖 陳瑞兵)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41589-022-01014-6

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