我所发展辅因子工程策略促进天然产物生物合成

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  近日,我所合成微生物学研究组(1823组)周雍进研究员团队与海军军医大学药学系张磊教授合作,在酚酸类天然产物合成生物学研究方面取得新进展。合作团队在酿酒酵母中构建与优化了酚酸生物合成途径,强化了关键辅因子的供给和周转,实现了酚酸化合物的高效合成。

  近年来,合成生物学快速发展使得天然产物可持续供应走向现实,在微生物细胞中构建完整生物合成途径,可实现系列复杂天然产物如青蒿酸、生物碱等的高效生物合成。酿酒酵母被广泛应用于食品酿造,且其具有极强的可塑性、鲁棒性和可靠的安全性,逐渐成为构建细胞工厂的主要平台之一。目前,虽然酶工程和途径工程已广泛应用于提高酵母细胞工厂的性能,但其用于合成天然产物的效率有待进一步提高。

  在上述背景下,合作团队致力于提升酚酸类天然产物合成效率。研究发现,细胞内辅因子参与的相关催化酶活性除了由酶表达量决定,还和辅因子水平有关,特别是表达外源酶时往往会面临辅因子不匹配或者供应不足的限制。由此,周雍进团队前期系统综述了辅因子在天然产物合成中的重要价值,并提供了四种可行的辅因子工程方案:重建辅因子的生物合成;提升胞内/细胞器内辅因子的代谢水平;平衡辅因子的稳态,以及提高辅因子的活性形式(iScience,2020)。

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  酵母中酚酸化合物之一咖啡酸生物合成需要辅因子FAD(H2)和NADPH,而阿魏酸的生物合成需要SAM作为甲基供体。本工作中,团队通过改造中心代谢以提高NADPH供应、构建胞浆FAD(H2)合成途径,以及将线粒体FAD(H2)导到胞浆以提高胞浆FAD(H2)供应等方式,显著提高了咖啡酸生物合成效率,使其产量达到5.5g/L,远高于文献中已报道的0.8g/L。在此基础上,团队利用高表达甲基转移酶,构建了阿魏酸生物合成途径,进一步强化了甲基循环以解除甲基转移酶抑制效应,提高了甲基供体辅因子SAM水平和SAM周转,使得阿魏酸产量达到3.8g/L,远高于文献中已报道的0.04g/L。该工作揭示了酵母中不同辅因子调控规律,特别是细胞内不同细胞器之间的辅因子分配规律,为辅因子调控提供了理论指导。并且,该工作将为复杂活性天然产物(木脂素和多聚酚酸等)的高效合成提供充足前体,有望为天然产物新资源开发和濒危中药资源的可持续利用提供保障。

  相关研究成果以“Engineering Cofactor Supply and Recycling to Drive Phenolic Acid Biosynthesis in Yeast”为题,于近日发表在《自然-化学生物学》(Nature Chemical Biology)上。该工作的第一作者是我所1823组博士后陈瑞兵。上述工作得到国家重点研究计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金优秀青年基金、兴辽英才计划、我所科研创新基金等项目的资助。(文/图 陈瑞兵)

  文章链接:https://doi.org/10.1038/s41589-022-01014-6

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