自然化学生物学:开发辅因子工程策略

近年来，随着合成生物学的快速发展，天然产物的可持续供应已经成为现实。在微生物细胞中构建完整的生物合成途径，可以实现青蒿琥酯、生物碱等一系列复杂天然产物的高效生物合成。用于食品酿造的酿酒酵母，可塑性强、鲁棒性强、安全可靠，逐渐成为构建细胞工厂的主要平台之一。目前，酶工程和途径工程被广泛用于改善酵母细胞工厂的性能，但合成天然产物的效率有待进一步提高。

在上述背景下，合作团队致力于提高酚酸类天然产物的合成效率。发现细胞内辅因子参与的相关催化酶的活性不仅由酶的表达决定，还与辅因子的水平有关，尤其是外源酶表达时，往往面临辅因子错配或供给不足的限制。前期，周团队系统总结了辅因子在天然产物合成中的重要价值，提供了四种可行的辅因子工程方案，用于重构辅因子的生物合成，提高辅因子在细胞和细胞器中的代谢水平，平衡辅因子的稳态，提高辅因子的活性形式()。

咖啡酸是酵母中的酚酸化合物之一，其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。本工作通过修饰中枢代谢增加NADPH供给，构建细胞质FAD(H2)合成途径，将线粒体FAD(H2)导入细胞质增加细胞质FAD(H2)供给，咖啡酸的生物合成效率显著提高，咖啡酸产量达到5.5g/L，远高于文献报道的0.8g/L。在此基础上，利用高表达甲基转移酶构建阿魏酸的生物合成途径，进一步强化甲基循环缓解甲基转移酶的抑制作用，提高甲基供体辅因子SAM和SAM周转水平，使阿魏酸产量达到3.8g/L，高于文献报道的0.04g/L。本研究揭示了酵母中不同辅因子的调控规律，尤其是辅因子在细胞内不同细胞器间的分布规律，为辅因子调控提供了理论指导。同时，这项工作将为高效合成复杂的活性天然产物(木脂素、多酚酸等)提供充足的前体。)，有望为天然产物新资源的开发和濒危中药资源的可持续利用提供保障。

相关研究成果发表在《自然-化学生物学》 (Nature Chemical Biology)上，题目是《工程辅因子供应和再循环驱动酵母中酚酸的生物合成》。本研究得到了国家重点研究计划、国家面上项目、国家杰出青年自然科学基金、辽宁省星辽人才计划和大连化工研究院创新基金的资助。

因子工程确保酵母工厂高效合成天然产物。