近日，《自然·通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所黃三文團隊和美國麻省理工學院科研團隊合作研究的成果，研究揭示了兩種不同的解除酶底物抑制的代謝工程策略，構建了高效異源生物合成類胡蘿卜素的細胞工廠。該研究為在細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與方法領域“50篇優(yōu)秀論文”之一。

近年來，隨著合成生物學的飛速發(fā)展，利用微生物設計和創(chuàng)建人工合成細胞發(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)模式被科學界及工業(yè)界認可。但是微生物異源生物合成天然產(chǎn)物的效率經(jīng)常受到酶調控的影響。酶底物抑制效應是限制化合物產(chǎn)率的主要因素之一。當?shù)孜餄舛冗^高，超過某個閾值時，會觸發(fā)底物抑制效應，從而降低酶反應速率，影響目標化合物的合成。目前在合成生物學和代謝工程領域，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，高濃度的底物番茄紅素對該酶有強烈抑制，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到98%。第二種策略是建立香葉基香葉基焦磷酸合酶介導的流量控制器，調控代謝流量，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)