微生物“细胞工厂”的“机器”装配流水线

原创马田中科院之声

随着合成生物学的发展，研究者们已经可以将微生物细胞设计并创建成为一个“工厂”，以淀粉、纤维素甚至二氧化碳等可再生资源为原料，酶作为这个“工厂”中的纳米“机器” 相互协作，制造出工业生产和人们生活所需要的化工、药物、能源、材料、食品等“产品”（图1）。这种微生物制造的生产方式具有绿色、清洁、可再生的特征，对于依赖不可再生资源、高污染、高排放的生产方式，具有巨大的经济和社会效益。

图1. 微生物细胞工厂

天然的生物催化体系通常在微生物细胞内会形成物理上、空间上组织有序的多酶复合体、酶分子脚手架或者反应微区，这种有序、有组织地流水线式合成带来了高效的催化能力。然而，人工构建的“细胞工厂”往往不存在这种高效的组织性，由此引发的目标“产品”合成效率低、“机器”配合不协调等问题，大大限制了“细胞工厂”的制造能力。

随着技术的发展，研究者们发现通过利用类似“螺栓螺帽”的对接元件在空间上建立这些酶“机器”的组装体系，能够便捷有效地改善上述问题。但目前已开发的对接元件有很多局限性，不论是在可灵活选用的对接元件数，还是可同时组装的不同“机器”的数量都非常有限。

近日，Nature Communications在线发表了中科院深圳先进技术研究院马田副研究员、武汉大学刘天罡教授团队与邓子新院士合作的题为 Metabolic pathway assembly using docking domains from type I cis-AT polyketide synthases 的研究成果。该研究针对天然模块聚酮合酶 (PKS)（主要为研究较多的I型cis-AT聚酮合酶），利用其结构中的对接元件，模拟其高度有序的组装方式，开发了“mimic PKS enzyme assembly line (mPKSeal)”多酶组装策略（图2）。

图2. mPKSeal多酶组装策略（以红霉素聚酮合酶DEBS为例）

I型cis-AT聚酮合酶是一种巨型合酶，是由不同的亚单位结构单元通过末端的对接元件识别组装形成复合结构，可以连续催化合成抗生素、抗寄生虫药物、降胆固醇药物、免疫抑制剂和癌症化疗药物等。

在该研究中，研究人员将源于红霉素聚酮合酶DEBS的对接元件用于虾青素代谢途径中不同空间分布的酶组装，建立了mDEBSeal策略，显著提高了虾青素的产量。除了DEBS，目前自然界中已经被鉴定的I型cis-AT PKS超过1600种，这些多样的PKS系统含有多样的对接元件。研究人员进一步发现来源于不同PKS的mAURSeal、mFKBSeal及mRAPSeal策略同样可以提升虾青素的产量。同时，不同PKS来源的对接元件可进一步划分为不同类别（螺栓-螺帽）：H1a–T1a, H1b–T1b，H2–T2等，同一分类下的对接元件仍然能够正确组装，并实现虾青素产量的提升。

从自然中来，到人工里去。mPKSeal策略背后潜在的对接元件个数超万，且具有实现同一体系中的多种酶“机器”的有序组装能力，不仅有望突破现有对接元件的个数，同时能够改善同一体系中组装不同“机器”数量上的限制，为“产品”的高效合成提供了一种新策略，为“细胞工厂”的高效产出作出贡献。

来源：中国科学院深圳先进技术研究院