上海交通大学团队首次创制丙二酰辅酶A非天然生物合成途径- 大数跨境

近日，国际催化领域顶级期刊《Nature Catalysis》（自然.催化）以研究长文（Article）的形式在线发表了由上海交通大学谭在高研究员团队、刘天罡教授团队和中国科学院分子植物科学卓越创新中心杨琛研究员团队合作完成的关于丙二酰辅酶 A 首条非天然合成途径的创制工作，论文标题为“A non-carboxylative route for the efficient synthesis of central metabolite malonyl-CoA and its derived products”。

丙二酰辅酶 A(malonyl-CoA)被认为是生命代谢活动中的中枢化合物。在初级代谢中，丙二酰辅酶 A 是合成长链脂肪酸所必需的延伸单元。在次级代谢中，它是合成包括脂肪酸类化合物、聚酮化合物、黄酮类化合物等 3 万多种化合物（malonyl-CoA derived products, MDPs）的共同前体（图1）。自 1958 年首次发现以来，乙酰 CoA 羧化酶（ACC）就被公认为是丙二酰辅酶 A 的唯一内源性合成酶。在自然进化中，天然合成途径采用的是从“丙酮酸(C3)-乙酰辅酶 A (C2)-丙二酰辅酶 A (C3)”这种“先脱羧-再羧化”的路径。然而，该途径存在着诸如催化速率慢（仅为 nmol/min/mg）、浪费 ATP 能量、受严格调控等一系列内在弊端，使得通过表达 ACC 来提高 malonyl-CoA 及其衍生物的合成，收效甚微。此外，多项研究均表明，ACC 等酶的过表达还会导致严重的细胞毒性，显著抑制细胞的生长。

Fig. 1 Design and implementation of an artificial pathway for malonyl-CoA biosynthesis.

基于此，本研究设计了一种全新的“丙酮酸(C3)-3-氧代丙酸(C3)-丙二酰辅酶 A”的路径（NCM 途径），首次实现了非乙酰 CoA 依赖的 malonyl-CoA 的生物合成，且该途径的催化速率（μmol/min/mg）是天然合成途径的 1000 倍。此外，非天然合成途径还避免了碳源和能量的浪费、其所需途径酶/亚基的数目从 7 个减少到 2 个，合成机器的大小从 5000~10000 kDa 降低至 350 kDa（仅为天然合成途径的 3~6%），并解除了来自宿主的一系列严格抑制（Table 1）。

Table 1. Comparison of natural and artificial routes for malonyl-CoA formation.

此外，不同于 ACC 等酶的过表达导致严重的细胞毒性和显著抑制细胞生长的问题，引入 NCM 途径后不会对细胞造成严重的毒性，反而提高了细胞面对一系列不利条件时的耐受性。推测这与 NCM 途径产生的还原力是 NADPH 而非 NADH 有关（NADPH 推动抗氧化剂谷胱甘肽的合成）。在细胞中心碳代谢循环中，NCM 途径也成为继磷酸戊糖途径和异柠檬酸脱氢酶之后的第三条 NADPH 再生途径。

将 NCM 途径应用到脂肪酸、聚酮化合物（间苯三酚、淡黄霉素、十五碳烯、纳他霉素、多杀菌素）等多种 MDPs 的合成中时，显著提高了这些产物的合成能力。此外，NCM 途径在从大肠杆菌等模式生物到链霉菌等非模式生物中都具有广泛的适用性：其中，将该途径引入刺糖多孢菌之后，其多杀菌素的产量从 3 g/L 提升至 4.6 g/L，是目前报道的多杀菌素的最高生产水平，并已经实现了该化合物的国产工业化量产。

上海交通大学谭在高研究员、刘天罡教授和中科院分子植物科学卓越创新中心的杨琛研究员为本论文的共同通讯作者。上海交通大学的博士生李健、武汉大学的博士生慕昕、中科院分子植物卓越中心的博士生董文越为论文共同第一作者。上海交通大学的冯雁教授、白林泉教授、康前进副研究员，美国南佛罗里达大学的 Ramon Gonzalez 教授，山东大学的侯进教授、赵广教授也对研究做出了贡献。相关研究成果已申请了 PCT 国际专利。本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等基金的资助。

素材来源：谭在高研究员

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