近日，《自然·通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊和美國麻省理工學(xué)院科研團(tuán)隊合作研究的成果，研究揭示了兩種不同的解除酶底物抑制的代謝工程策略，構(gòu)建了高效異源生物合成類胡蘿卜素的細(xì)胞工廠。該研究為在細(xì)胞工廠消除底物抑制生產(chǎn)高價值化合物研究提供參考。該論文被雜志社評選為生物技術(shù)與方法領(lǐng)域“50篇優(yōu)秀論文”之一。

近年來，隨著合成生物學(xué)的飛速發(fā)展，利用微生物設(shè)計和創(chuàng)建人工合成細(xì)胞發(fā)酵生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物，已作為一種綠色高效的新型生產(chǎn)模式被科學(xué)界及工業(yè)界認(rèn)可。但是微生物異源生物合成天然產(chǎn)物的效率經(jīng)常受到酶調(diào)控的影響。酶底物抑制效應(yīng)是限制化合物產(chǎn)率的主要因素之一。當(dāng)?shù)孜餄舛冗^高，超過某個閾值時，會觸發(fā)底物抑制效應(yīng)，從而降低酶反應(yīng)速率，影響目標(biāo)化合物的合成。目前在合成生物學(xué)和代謝工程領(lǐng)域，對于如何有效解除底物抑制還未廣泛報道，尤其是底物抑制發(fā)生在天然產(chǎn)物生物合成途徑的中間步驟。

科研人員以解脂耶氏酵母異源生物合成β-胡蘿卜素為例，報道了兩種不同的解除酶底物抑制的代謝工程策略。研究首次發(fā)現(xiàn)番茄紅素環(huán)化酶具有底物抑制效應(yīng)，高濃度的底物番茄紅素對該酶有強(qiáng)烈抑制，成為解脂耶氏酵母中類胡蘿卜素生物合成的主要瓶頸。第一種策略是針對番茄紅素環(huán)化酶的蛋白質(zhì)工程。改良后的突變體Y27R可以完全解除底物抑制并且不降低酶活性，使得β-胡蘿卜素產(chǎn)量顯著增加且選擇性達(dá)到98%。第二種策略是建立香葉基香葉基焦磷酸合酶介導(dǎo)的流量控制器，調(diào)控代謝流量，限制番茄紅素合成速率，將其濃度控制在抑制水平之下，同時在不觸發(fā)底物抑制的前提下，確保足夠多的代謝流量用于目標(biāo)化合物合成，獲得了與第一種策略相似的β-胡蘿卜素滴度和選擇性。兩種代謝工程策略被證明同等有效地解除了底物抑制，能夠高效生產(chǎn)β-胡蘿卜素，最終使得β-胡蘿卜素的產(chǎn)量達(dá)到了39.5克/升。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃的資助。(科技日報記者 馬愛平 通訊員 馬昕怡 馬永碩)