上海交通大学国家优青携手国家级领军人才和院长Nat Catal-合成生物学

一、中文标题

中心代谢物丙二酰辅酶A及其衍生物的高效合成：一种非羧化途径（A non-carboxylative route for the efficient synthesis of central metabolite malonyl-CoA and its derived products）

（点击页面左下角阅读原文，直达文献页面）

二、发表单位及通讯作者

• 发表单位：上海交通大学、武汉大学、中国科学院、山东大学、南佛罗里达大学等

• 通讯作者：Chen Yang、Tiangang Liu、Zaigao Tan

三、科学问题

       如何克服天然乙酰辅酶A羧化途径合成丙二酰辅酶A时存在的动力学缓慢、碳效率低、调控严格、结构复杂等问题，开发一种高效、调控简单、结构精简的人工合成途径，以提升丙二酰辅酶A及其衍生物的生物合成效率。

四、发表时间

• 在线发表：2024年1月29日

• 链接：https://doi.org/10.1038/s41929-023-01103-2

五、摘要

      丙二酰辅酶A是脂肪酸、聚酮体、黄酮类等众多天然产物的关键前体。天然合成途径依赖乙酰辅酶A羧化酶，存在动力学缓慢、碳损失、ATP消耗及严格调控等问题。本研究设计并实现了一种非羧化丙二酰辅酶A合成途径，以3-氧代丙酸酯为中间体，通过β-丙氨酸-丙酮酸转氨酶与丙二酰辅酶A还原酶催化，实现了高效、无碳损失、无ATP消耗的丙二酰辅酶A合成。该途径在大肠杆菌、链霉菌等微生物中成功应用，显著提升了短链脂肪酸、酚类、醌类、烯烃及大环内酯类等丙二酰辅酶A衍生物的产量，为高效生物制造提供了新策略。

六、研究背景

       丙二酰辅酶A是细胞代谢中的核心分子，参与脂肪酸合成、蛋白质丙二酰化修饰，并作为聚酮体、黄酮类、香豆素等超过30,000种天然产物的构建单元。传统合成途径依赖乙酰辅酶A羧化酶，该酶催化效率低（比活性仅为 nmol/min/mg水平），每生成一分子丙二酰辅酶A需消耗一分子ATP，并伴随CO₂释放，碳损失约33%。此外，该途径受长链脂肪酸辅酶A、乙酰辅酶A、ATP/ADP比率等多种因子的严格调控，且其多亚基复合物结构复杂（分子量可达4600–10000 kDa），过度表达常导致细胞毒性。这些局限性严重限制了丙二酰辅酶A及其衍生物的生物合成效率，成为代谢工程中的瓶颈。

       尽管通过代谢工程手段如途径过表达或修饰可部分提升产量，但由于天然途径的内在缺陷，效果有限甚至产生负面影响。因此，开发一种结构简单、调控灵活、碳和能量效率高的人工合成途径，成为提升丙二酰辅酶A及其衍生物生产能力的迫切需求。

七、研究结果

结果1、设计与实现NCM形成途径

• 提出以3-氧代丙酸酯为中间体的非羧化途径，避免天然途径中“脱羧-羧化”步骤带来的碳损失与ATP消耗。

• 筛选并鉴定出高效酶：β-丙氨酸-丙酮酸转氨酶（BauA）与丙二酰辅酶A还原酶C端片段（MCR-C）。

• 体外实验中，该途径合成丙二酰辅酶A的速率达2.0 µmol/min/mg，较天然途径提升约10³倍。

结果2、NCM途径避免抑制作用并具有简单结构

• 不受长链脂肪酸辅酶A、乙酰辅酶A、ADP/ATP比率等天然途径抑制剂的调控影响。

• 途径仅由两个酶组成（BauA与MCR-C），总分子量约350 kDa，远低于天然PDH-ACC复合物（4,600–10,000 kDa）。

• 仅需三种辅因子（PLP、NADP⁺、CoA），在多种微生物中含量充足。

• 

  图1 设计人工丙二酰辅酶A途径

结果3、NCM途径的体内实施

• 在大肠杆菌中引入NCM途径，胞内丙二酰辅酶A含量提升84%。

• 同位素示踪实验表明，57%的丙二酰辅酶A通过NCM途径合成，显示其在代谢中的显著贡献。

• 通过CRISPRi抑制天然accBC基因后，细胞生长受阻；引入NCM途径可恢复生长，证明其可替代天然途径。

• 

  图2 人工NCM途径的体内验证

结果4、NCM途径增强细胞稳健性

• 表达NCM途径的大肠杆菌对有机酸（如琥珀酸、乳酸）、聚酮体（三乙酸内酯）及高渗透压（NaCl、高糖）具有更强耐受性。

• 该途径在催化中再生NADPH，提高细胞内NADPH/NADP⁺比率，增强抗氧化能力，从而提升细胞在胁迫环境下的生长能力。

• 

  图3 NCM途径的鲁棒性

结果5、利用NCM途径在体内合成MDPs

• 在多种模型微生物中，NCM途径显著提升短链脂肪酸（辛酸）、酚类（间苯三酚）、醌类（黄霉素）、烯烃类（十五碳七烯）及大环内酯类（纳他霉素、螺旋霉素）的产量。

• 产量提升幅度在38%至92%之间，显示该途径在促进多种高附加值天然产物合成中的普适性。

• 细胞内外源添加β-丙氨酸或强化内源合成途径（如过表达PanD或KamA），对产物产量提升有限。

• 表明在实验条件下，β-丙氨酸供应并非NCM途径的限制因素，其细胞内基础水平已能满足催化需求。

  

  图4 利用NCM途径用于MDP production

结果6、NCM途径的广泛应用

• 在非模式微生物如链霉菌中成功引入NCM途径，显著提升纳他霉素和螺旋霉素产量。

• 该途径展现出跨物种、跨产物类型的广泛适用性，为基于丙二酰辅酶A的天然产物高效生物制造提供了通用平台。

• 

  图5 非模式微生物中的应用

八、讨论

      本研究成功设计并验证了一种高效、调控简单、结构精简的非羧化丙二酰辅酶A合成途径，突破了天然途径的多种限制。该途径不仅提升丙二酰辅酶A供应，还增强细胞耐受性，促进多种高附加值天然产物的合成。其跨物种适用性显示了在微生物工程中的广泛潜力。未来，该途径有望作为代谢工程通用模块，用于高效生产燃料、精细化学品与药物，并为代谢性疾病治疗提供新靶点。进一步优化发酵条件与途径整合，有望实现更高产量的工业化应用

【近期热文】-生物制造合集