Metabolic Engineering | 蜂王漿的“靈魂”成分:首次實現(xiàn)以葡萄糖為主要碳源的10-HDA的高效生物合成
蜂王漿,被譽為“液體中的軟黃金”,是工蜂分泌的一種特別物質(zhì),也是蜂王賴以成長和繁衍的重要食物。蜂王漿之所以如此特別,與其豐富而復雜的成分密不可分。其中,最獨特、最珍貴的物質(zhì)便是10-羥基-2-癸烯酸(10-HDA),也被稱為王漿酸。這種物質(zhì)僅存在于蜂王漿中,是判斷蜂王漿質(zhì)量的重要指標之一。研究發(fā)現(xiàn),王漿酸具有顯著的抗氧化、抗衰老活性,并展現(xiàn)出潛在的醫(yī)療應用價值,在醫(yī)藥和美妝領域備受關注。
然而,傳統(tǒng)的王漿酸生產(chǎn)方式主要依賴天然提取和化學合成,面臨資源有限、提取效率低以及環(huán)境污染等挑戰(zhàn)。同時,已有的生物合成策略多需依賴外源前體添加,難以滿足高效、可持續(xù)生產(chǎn)的需求。因此,開發(fā)以葡萄糖為主要碳源的高效生物合成方法,不僅能夠突破傳統(tǒng)工藝的限制,降低生產(chǎn)成本,還為10-HDA的規(guī)模化生產(chǎn)和廣泛應用提供了全新的技術(shù)方向和實踐可能。
近日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所羅小舟研究員團隊取得了突破性進展。他們通過代謝工程,首次成功在大腸桿菌中以葡萄糖為主要碳源合成王漿酸。該研究成果發(fā)表在國際學術(shù)期刊Metabolic Engineering上,題目為“Biosynthesis of 10-Hydroxy-2-Decenoic Acid in Escherichia coli”,為王漿酸的規(guī)模化、可持續(xù)生產(chǎn)開辟了新路徑。

文章上線截圖
研究從天然存在的脂肪酸生物合成途徑出發(fā),以反式-2-癸烯酰-ACP為關鍵前體,通過硫酯酶催化生成反式-2-癸烯酸,再經(jīng)過P450酶一步氧化生成10-HDA。

圖1. 10-HDA生物合成途徑示意圖
首先,作者從不同物種中挖掘出具有高效催化反式-2-癸烯酰-ACP能力的硫酯酶UaFatB1,并通過基因編輯敲除大腸桿菌中的fadD、fadB和sodA基因,阻斷反式-2-癸烯酰-ACP的溢流途徑,顯著提升了反式-2-癸烯酸的合成效率。
其次,作者從細菌中篩選到高效催化反式-2-癸烯酸的P450氧化酶-CYP153AMaq。并通過還原伴侶蛋白的篩選與優(yōu)化,確定了最適組合CYP153AMaq/FdR0978/Fdx0338,提高了CYP153AMaq的催化活性。
最后,作者對CYP153AMaq進行了定向進化,獲得最優(yōu)突變組合Q129R/V141L,進一步提高CYP153AMaq的催化效率,最終顯著提升了10-HDA從頭合成的產(chǎn)量。在優(yōu)化后的發(fā)酵條件下,研究構(gòu)建的工程菌株在蛋白誘導表達后24小時內(nèi)即可實現(xiàn)產(chǎn)量穩(wěn)定,并在發(fā)酵60小時達到最高產(chǎn)量18.8 mg/L,具有巨大的應用潛力。
王漿酸10-HDA作為僅存于蜂王漿中的一種生物活性化合物,已經(jīng)被證明具有多項顯著功效:它能有效抑制腫瘤細胞的生長,具有出色的抗炎活性及抗菌效能,同時在治療多囊卵巢綜合癥、脂肪肝、關節(jié)炎和自閉癥譜系障礙等疾病方面也表現(xiàn)出積極的療效,且未報告有任何副作用,其未來應用前景將更加廣闊。本文建立了基于原生脂肪酸合成途徑(Fatty acid biosynthesis,FAB)的完整合成路徑。鑒于FAB途徑廣泛存在于所有生物體中,本研究也為將這一代謝途徑整合到其他可工程化微生物體系提供了一個通用的平臺。

圖2 搖瓶發(fā)酵時菌株的10-HDA的產(chǎn)量?
中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所研究員羅小舟為本文的通訊作者,課題組助理研究員何丹、中國科學院大學/中國科學院深圳先進院技術(shù)研究院碩士研究生陳燕為該論文的共同第一作者。本項目得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科技計劃、SIAT科技創(chuàng)新杰出青年人才培養(yǎng)計劃等多個項目以及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的支持。
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