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(duì)和美國麻省理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)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(jì)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(bào)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。

兩種不同的解除酶底物抑制的代謝工程策略,。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所供圖

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(bào)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助,。