北理工團隊在微生物細胞工廠合成黃酮類藥物領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期:2025-12-01 供稿:化學與化工學院 攝影:化學與化工學院
編輯:田柳 審核:王振華 閱讀次數(shù):
利用微生物細胞工廠以可持續(xù)方式生產(chǎn)植物源藥物是解決破壞植被、環(huán)境和生態(tài)問題的重要思路。其中,釀酒酵母因其諸多優(yōu)勢成為理想的生物制造宿主,其細胞器可被視為功能完整的微反應器,其相應的數(shù)量、大小等特性對反應效率至關(guān)重要。然而,細胞器的天然調(diào)控機制往往難以適配外源合成路徑,如何高效改造細胞器微環(huán)境是一大挑戰(zhàn)。乙酰輔酶A作為核心代謝前體,其供應不足常是限制細胞質(zhì)中外源化學品合成的瓶頸。現(xiàn)有的胞質(zhì)乙酰輔酶A強化策略多集中于改造其自身代謝網(wǎng)絡(luò),但常受限于細胞內(nèi)固有的精密調(diào)控。過氧化物酶體作為一種重要的細胞器,是脂肪酸β-氧化的唯一場所,也是乙酰輔酶A的關(guān)鍵來源,從其內(nèi)部輸出乙酰輔酶A或許是解決此問題的有效途徑。雖然通過工程化β-氧化途徑可提升產(chǎn)量,但過氧化物酶體微環(huán)境是否適于高效合成乙酰輔酶A,其潛力尚未被充分挖掘。過氧化物酶體的生物發(fā)生與組裝由過氧化物酶體蛋白(PEX)精密調(diào)控。盡管已有研究利用PEX調(diào)控過氧化物酶體大小以容納外源途徑,但大多數(shù)PEX如何影響乙酰輔酶A合成這一核心代謝功能,仍然是有待闡明的關(guān)鍵科學問題?;诖耍狙芯恳愿什菟厣锖铣蔀槟P?,系統(tǒng)研究了“PEX–過氧化物酶體組裝–乙酰輔酶A合成”之間的關(guān)系,過表達關(guān)鍵PEX強化過氧化物酶體組裝以提高乙酰輔酶A的供應和甘草素產(chǎn)量,結(jié)合代謝物檢測、熒光共定位、透射電鏡和轉(zhuǎn)錄組學等多重技術(shù)手段,深入闡明PEX工程化的調(diào)控機制。

首先在釀酒酵母中重構(gòu)甘草素的異源合成途徑,通過模塊化設(shè)計、優(yōu)化關(guān)鍵酶表達及強化芳香族氨基酸前體供應,逐步提高了甘草素產(chǎn)量。針對合成過程中副產(chǎn)物柚皮素大量積累的問題,通過精確調(diào)控CHS與CHR的基因拷貝比例,提高CHR豐度以增強其與中間體的接觸頻率,將柚皮素占比降至總產(chǎn)物5%以下。CHR蛋白表達水平的提高還協(xié)同上調(diào)了上游多種酶的蛋白表達,從而全面強化了整個合成通路,最終將甘草素產(chǎn)量提升至111.3 mg/L。

通過蛋白質(zhì)組學解析高產(chǎn)甘草素菌株的全局代謝響應,發(fā)現(xiàn)多個顯著上調(diào)的通路均與乙酰輔酶A代謝密切相關(guān),且功能上與過氧化物酶體高度耦合。因此,聚焦PEX調(diào)控過氧化物酶體的組裝,以期突破其乙酰輔酶A的供應瓶頸,從而進一步提升甘草素產(chǎn)量。

對釀酒酵母中29個已知PEX進行蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析(PPI),根據(jù)功能將其分為4組,并精選16個關(guān)鍵PEX進行基因過表達研究。其中,10個PEX顯示出甘草素產(chǎn)量的提升。進一步組合配對,篩選獲得PEX6與PEX15的最優(yōu)組合,該菌株使乙酰輔酶A供應水平提升98%,推動甘草素產(chǎn)量提高至328.48 mg/L;此外,還表現(xiàn)出增強的過氧化物酶體組裝功能,對PTS1型和PTS2型基質(zhì)蛋白的招募能力分別提高了140%和92%,過氧化物酶體數(shù)量增加67%。

進一步通過轉(zhuǎn)錄組分析揭示了PEX的動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。過表達PEX6與PEX15可協(xié)同上調(diào)A、B、C組多個PEX基因的表達以及乙酰輔酶A相關(guān)途徑,實現(xiàn)了乙酰輔酶A的高效合成與定向轉(zhuǎn)運。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合轉(zhuǎn)錄組指導,過表達CAT2與ACS1進行代謝微調(diào),最終將甘草素產(chǎn)量進一步提升至403.06 mg/L,較初始菌株提高12.85倍。在補料分批發(fā)酵條件下,產(chǎn)量達到1102.41 mg/L。

進一步將PEX介導的工程化過氧化物酶體組裝拓展至不同乙酰輔酶A衍生物的合成及不同酵母物種間應用。在產(chǎn)物合成方面,PEX工程化使3-羥基丙酸和角鯊烯的產(chǎn)量分別提升51%與139%。在跨物種應用方面,通過將解脂耶氏酵母來源的PEX移植至釀酒酵母,構(gòu)建功能增強的雜合過氧化物酶體,展現(xiàn)出更高的乙酰輔酶A及甘草素的合成效率。

本研究為“PEX–過氧化物酶體組裝–乙酰輔酶A合成”之間的關(guān)系提供了新見解,也為構(gòu)建雜合過氧化物酶體提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Engineering yeast peroxisome assembly enables the increased production of acetyl-CoA and its derived 5-deoxyflavonoids”為題目在Nature系列期刊Nature Communications上發(fā)表(DOI: /10.1038/s41467-025-65444-1)。北京理工大學化學與化工學院生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)研究團隊的博士研究生李泳幸為該論文的第一作者,清華大學李春教授與北京理工大學化學與化工學院長聘副教授馮旭東為該論文的共同通訊作者。
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