中科院大学王勇等通过制造自组装酶反应器改善黄芩素和黄芩苷的生物合成

中科院大学王勇等人通过构建自组装酶反应器，显著提高了黄芩素和黄芩苷在大肠杆菌中的生物合成效价，并首次实现了从葡萄糖直接合成黄芩素。研究背景与问题黄芩素和黄芩苷是黄酮类化合物，具有抗氧化、抗肿瘤、抗菌和心脏保护等功效，在医药和食品行业应用潜力巨大。传统方法利用大肠杆菌生产时，因重组酶表达不平衡和中间体积累导致生产率低。尽管调节启动子强度和质粒拷贝数可解决该问题，但筛选工作量巨大，缺乏有效策略。自组装酶反应器的构建原理研究团队通过分析黄芩素生物合成通路，发现Pc4CL催化效率低，导致肉桂酸无法完全转化为肉桂酰CoA，造成中间体堆积。为解决Pc4CL与RtPAL代谢失衡问题，他们利用蛋白-肽相互作用结构域（PSD95/Dlg1/zo-1）及其配体PDZ，通过刚性接头（5nm的ER/K）连接RtPAL和PDZ结构域，柔性接头（GGGGS）?连接Pc4CL和PDZ配体。这种设计使RtPAL和Pc4CL通过蛋白质-肽相互作用自组装形成双酶复合物，命名为DN-3系统。实验表明，DN-3菌株的白杨素产量达43.3 mg/L，较非自组装菌株DN-2（26.9 mg/L）提高60%，验证了自组装策略对催化效率的提升作用。黄芩素合成通路的优化模块整合与产量提升：研究将n端修饰的sbF6H和AtCPR（催化白杨素合成黄芩素）与过表达MatB、matC、Acs和FabF（增加丙二酰CoA供应）的模块整合到DN-3中，构建新菌株DN-7。黄芩素产量从21.6 mg/L跃升至143.5 mg/L。葡萄糖从头合成突破：通过过表达突变基因PheAfbr和aroGfbr，构建苯丙氨酸过剩菌株DN-9，首次实现从葡萄糖直接合成黄芩素，效价达52.3 mg/L。这一成果标志着黄芩素生物合成路径的完整打通。补料分批发酵的进一步优化对DN-7进行补料分批发酵处理后，黄芩素产量提升至271.6 mg/L，黄芩苷产量达288.9 mg/L（当前最高水平）。DN-9在补料分批发酵中黄芩素产量为214.1 mg/L，为后续大规模发酵提供了关键数据支持。研究意义与创新点技术突破：首次利用自组装酶反应器解决代谢通路中酶失衡问题，为生物合成优化提供新范式。路径创新：实现从葡萄糖直接合成黄芩素，简化原料需求，降低生产成本。产量领先：黄芩苷效价达288.9 mg/L，为全球最高水平，显著推动产业化进程。应用前景：该策略可扩展至其他黄酮类化合物合成，为天然产物生物制造提供通用平台。此研究通过分子设计、代谢工程与发酵工艺的协同创新，系统性解决了黄芩素生物合成的效率瓶颈，为黄酮类化合物的高效生产奠定了技术基础。