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(yī)大學藥學系張磊教授合作，在酚酸類天然產(chǎn)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(gòu)建與優(yōu)化了酚酸生物合成途徑，強化了關鍵輔因子的供給和周轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了酚酸化合物的高效合成。
近年來，合成生物學快速發(fā)展使得天然產(chǎn)物可持續(xù)供應走向現(xiàn)實，在微生物細胞中構(gòu)建完整生物合成途徑，可實現(xiàn)系列復雜天然產(chǎn)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(gòu)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(chǎn)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(chǎn)物合成效率。研究發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)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(tǒng)綜述了輔因子在天然產(chǎn)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(nèi)/細胞器內(nèi)輔因子的代謝水平；平衡輔因子的穩(wěn)態(tài)，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(gòu)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(chǎn)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(zhuǎn)移酶，構(gòu)建了阿魏酸生物合成途徑，進一步強化了甲基循環(huán)以解除甲基轉(zhuǎn)移酶抑制效應，提高了甲基供體輔因子SAM水平和SAM周轉(zhuǎn)，使得阿魏酸產(chǎn)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(diào)控規(guī)律，特別是細胞內(nèi)不同細胞器之間的輔因子分配規(guī)律，為輔因子調(diào)控提供了理論指導。并且，該工作將為復雜活性天然產(chǎn)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(chǎn)物新資源開發(fā)和瀕危中藥資源的可持續(xù)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(fā)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(yōu)秀青年基金、興遼英才計劃、我所科研創(chuàng)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
標簽： 天然產(chǎn)物 合成生物學
