微生物“細胞工廠”的“機器”裝配流水線_風聞

隨着合成生物學的發展，研究者們已經可以將微生物細胞設計並創建成為一個“工廠”，以澱粉、纖維素甚至二氧化碳等可再生資源為原料，酶作為這個“工廠”中的納米“機器”相互協作，製造出工業生產和人們生活所需要的化工、藥物、能源、材料、食品等“產品”（圖1）。這種微生物製造的生產方式具有綠色、清潔、可再生的特徵，對於依賴不可再生資源、高污染、高排放的生產方式，具有巨大的經濟和社會效益。

圖1. 微生物細胞工廠

天然的生物催化體系通常在微生物細胞內會形成物理上、空間上組織有序的多酶複合體、酶分子腳手架或者反應微區，這種有序、有組織地流水線式合成帶來了高效的催化能力。然而，人工構建的“細胞工廠”往往不存在這種高效的組織性，由此引發的目標“產品”合成效率低、“機器”配合不協調等問題，大大限制了“細胞工廠”的製造能力。

隨着技術的發展，研究者們發現通過利用類似“螺栓螺帽”的對接元件在空間上建立這些酶“機器”的組裝體系，能夠便捷有效地改善上述問題。但目前已開發的對接元件有很多侷限性，不論是在可靈活選用的對接元件數，還是可同時組裝的不同“機器”的數量都非常有限。

近日，NatureCommunications在線發表了中科院深圳先進技術研究院馬田副研究員、武漢大學劉天罡教授團隊與鄧子新院士合作的題為 Metabolic pathway assembly using docking domains from type I cis-ATpolyketide synthases 的研究成果。該研究針對天然模塊聚酮合酶 (PKS)（主要為研究較多的I型cis-AT聚酮合酶），利用其結構中的對接元件，模擬其高度有序的組裝方式，開發了“mimicPKS enzyme assembly line (mPKSeal)”多酶組裝策略（圖2）。

圖2. mPKSeal多酶組裝策略（以紅黴素聚酮合酶DEBS為例）

I型cis-AT聚酮合酶是一種巨型合酶，是由不同的亞單位結構單元通過末端的對接元件識別組裝形成複合結構，可以連續催化合成抗生素、抗寄生蟲藥物、降膽固醇藥物、免疫抑制劑和癌症化療藥物等。

在該研究中，研究人員將源於紅黴素聚酮合酶DEBS的對接元件用於蝦青素代謝途徑中不同空間分佈的酶組裝，建立了mDEBSeal策略，顯著提高了蝦青素的產量。除了DEBS，目前自然界中已經被鑑定的I型cis-AT PKS超過1600種，這些多樣的PKS系統含有多樣的對接元件。研究人員進一步發現來源於不同PKS的mAURSeal、mFKBSeal及mRAPSeal策略同樣可以提升蝦青素的產量。同時，不同PKS來源的對接元件可進一步劃分為不同類別（螺栓-螺帽）：H1a–T1a, H1b–T1b，H2–T2等，同一分類下的對接元件仍然能夠正確組裝，並實現蝦青素產量的提升。

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從自然中來，到人工裏去。mPKSeal策略背後潛在的對接元件個數超萬，且具有實現同一體系中的多種酶“機器”的有序組裝能力，不僅有望突破現有對接元件的個數，同時能夠改善同一體系中組裝不同“機器”數量上的限制，為“產品”的高效合成提供了一種新策略，為“細胞工廠”的高效產出作出貢獻。

來源：中國科學院深圳先進技術研究院