Curr. Opin. Biotechnol. | 空間酶組裝策略賦能微生物藥物合成
微生物合成憑借可持續(xù)、高效率的優(yōu)勢,已成為重要的藥物生產(chǎn)方式。然而,在微生物細胞工廠中異源表達合成途徑時,經(jīng)常面臨中間物擴散、代謝通量競爭、細胞毒性中間體積累等問題。大自然中,很多途徑酶受到精準空間組織調控,從而具有高效性和專一性。受到這種空間調控方式的啟發(fā),研究人員開發(fā)了人工空間酶組裝工具來提升微生物藥物合成效率。
近日,中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學國家重點實驗室、合成生物學研究所馬田副研究員作為通訊作者,在國際權威期刊Current Opinion in Biotechnology發(fā)表綜述文章。該文章系統(tǒng)總結了空間酶組裝在微生物藥物合成中的最新研究進展,全面梳理了四大核心組裝策略的設計原理、特性優(yōu)勢與應用場景,深入剖析領域現(xiàn)存挑戰(zhàn),并提出未來發(fā)展方向,為高效、可持續(xù)的生物制造提供了全新的設計思路與實踐參考。
四大核心策略:解鎖酶空間組裝的多元技術路徑
1.理性設計連接肽介導多酶組裝
通過理性設計連接肽將酶直接融合,可以縮短酶之間的距離、優(yōu)化代謝物遞送,提高催化效率,將多酶空間優(yōu)化從經(jīng)驗試錯推向理性設計。
2.肽-蛋白互作結構域介導多酶組裝
依托肽-肽、肽-蛋白的特異性互作,可以實現(xiàn)酶的模塊化組裝,該類互作元件的多樣性與正交性為復雜酶組裝提供了可能。其中RIDD-RIAD、SpyTag?/ SpyCatcher、PKS對接結構域介導的關鍵酶組裝顯著提高類胡蘿卜素、紫穗槐二烯、蝦青素等的生物合成效率。
3.核酸支架介導多酶組裝
DNA/RNA具有可編程特性,DNA/RNA支架介導的多酶組裝可靈活調控組裝酶的數(shù)量、順序、化學計量比與間距?;贑RISPR/dCas的DNA/RNA支架系統(tǒng),顯著提高了組裝酶的催化效率,為代謝通路的精細調控提供了新的可能。
4.自組裝元件介導多酶組裝
利用蛋白自組裝特性形成天然聚集結構,實現(xiàn)酶的自發(fā)共定位。自組裝元件CipB蛋白、固有無序蛋白(IDPs)介導的酶組裝,顯著提升葉黃素、諾卡酮、2'-巖藻糖基乳糖等的生物合成效率。
機遇與挑戰(zhàn):空間酶組裝技術的發(fā)展瓶頸
盡管空間酶組裝技術已在抗腫瘤藥物、抗瘧藥等多類藥物合成中取得顯著成效,但仍面臨多重挑戰(zhàn):現(xiàn)有工具對酶的排列順序、化學計量比、酶間距的精細調控有限;組裝復合物在高溫、極端pH、高底物濃度等工業(yè)發(fā)酵嚴苛條件下的穩(wěn)定性與兼容性有待提升;涉及復雜的多酶裝配,易給宿主細胞帶來代謝負擔等。
未來展望:合成生物學與AI融合
為突破瓶頸,未來研究將聚焦三方面:從天然超分子結構、極端微生物中挖掘新型組裝模塊;依托AlphaFold3、iMARS等工具,實現(xiàn)AI賦能的組裝元件理性設計;整合AI設計模塊與現(xiàn)有策略,開發(fā)更高效穩(wěn)定的組裝系統(tǒng),推動微生物藥物合成工業(yè)化升級,助力可持續(xù)生物制造。
該綜述第一作者為中國科學院深圳先進技術研究院碩士生鄭楚怡,馬田副研究員為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科技計劃以及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等項目的資助。

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圖 | 微生物藥物生物合成的空間酶組裝策略
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