2021年4月21日,國際合成生物學領域期刊ACS Synthetic Biology線上發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王勇研究組和華東理工大學任宇紅研究組的合作研究成果“Improve the Biosynthesis of Baicalein and Scutellarein via Manufacturing Self-Assembly Enzyme ReactorIn Vivo”。該研究不僅將大腸桿菌合成黃芩素的效率提升了數倍,還首次實現了從葡萄糖到黃芩素的從頭合成。
黃芩素(Baicalein)和野黃芩素(Scutellarein)是結構相似的兩種不同的黃酮類化合物,前者主要從唇形科多年生草本中藥植物黃芩(Scutellariabaicalensis Georgi)的乾燥根中選取獲得,而後者主要存在於菊科植物燈盞花(Erigeron karvinskianus)中。這兩種化合物均具有廣泛的藥理學活性,有望開發成新型藥物造福人類,但其在植物中的天然含量較少,如何高效低成本地獲得高純度化合物是現時研究開發急需解决的問題。利用合成生物學科技實現高效定向合成和規模化製備,是解决上述困難的有效途徑。2018年,王勇研究組在Metabolic Engineering雜誌上首次報導了利用大腸桿菌合成黃芩素和野黃芩素的可行性,但是產量較低。這也是黃酮類化合物合成生物學研究存在的普遍問題。
在這項研究中,作者針對這類化合物合成途徑中的兩個關鍵酶苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine Ammonia Lyase,RtPAL)和4-香豆酸輔酶A連接酶(4-coumarate-CoA ligase,Pc4CL)開發了一種順序自組裝酶反應器,利用相互作用的蛋白對(PDZ和PDZ ligand)將RtPAL和Pc4CL進行雙酶自組裝,從而提高中間產物的轉化率。這一策略有效地减少了中間體的積累並消除了合成路徑的瓶頸。通過該策略,黃芩素的搖瓶產量從21.6 mg/L提高到了143.5 mg/L,提升了6.6倍。同時野黃芩素的產量也提高了1.4倍(從84.3至120.4 mg/L)。通過發酵罐的補料分批培養,該策略的工程菌株能够分別產生271.6 mg/L黃芩素和288.9 mg/L野黃芩素。此外,該工作還首次實現了直接從葡萄糖合成黃芩素,並且該菌株能够通過分批補料發酵產生214.1 mg/L的黃芩素。該酶組裝系統具有幾個潜在的優點:(I)新增底物的局部濃度;(II)减少中間體的傳遞時間;(III)規避不利的酶反應動力學;(IV)新增代謝通量。這項工作為异源體系中複雜天然產物的優化合成和大規模生產提供了一種有效的策略。
博士生計東尼為該論文的第一作者。該工作獲得了國家重點研發計畫、上海市優秀學術帶頭人計畫、中科院先導等項目的支持。
論文連結:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acssynbio.0c00606
通過體內自組裝酶反應器提高黃芩素和野黃芩素的生物合成
本文版權歸原作者所有,文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系,我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理!