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(shì),已成為重要的藥物生產(chǎn)方式。然而,在微生物細(xì)胞工廠中異源表達(dá)合成途徑時(shí),經(jīng)常面臨中間物擴(kuò)散、代謝通量競(jìng)爭(zhēng)、細(xì)胞毒性中間體積累等問(wèn)題。大自然中,很多途徑酶受到精準(zhǔn)空間組織調(diào)控,從而具有高效性和專一性。受到這種空間調(diào)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(lái)提升微生物藥物合成效率。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所馬田副研究員作為通訊作者,在國(guó)際權(quán)威期刊Current Opinion in Biotechnology發(fā)表綜述文章。該文章系統(tǒng)總結(jié)了空間酶組裝在微生物藥物合成中的最新研究進(jìn)展,全面梳理了四大核心組裝策略的設(shè)計(jì)原理、特性優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景,深入剖析領(lǐng)域現(xiàn)存挑戰(zhàn),并提出未來(lái)發(fā)展方向,為高效、可持續(xù)的生物制造提供了全新的設(shè)計(jì)思路與實(shí)踐參考。
四大核心策略:解鎖酶空間組裝的多元技術(shù)路徑
1.理性設(shè)計(jì)連接肽介導(dǎo)多酶組裝
通過(guò)理性設(shè)計(jì)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(yàn)試錯(cuò)推向理性設(shè)計(jì)。
2.肽-蛋白互作結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)多酶組裝
依托肽-肽、肽-蛋白的特異性互作,可以實(shí)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(fù)雜酶組裝提供了可能。其中RIDD-RIAD、SpyTag?/ SpyCatcher、PKS對(duì)接結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)的關(guān)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(dǎo)多酶組裝
DNA/RNA具有可編程特性,DNA/RNA支架介導(dǎo)的多酶組裝可靈活調(diào)控組裝酶的數(shù)量、順序、化學(xué)計(jì)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(xì)調(diào)控提供了新的可能。
4.自組裝元件介導(dǎo)多酶組裝
利用蛋白自組裝特性形成天然聚集結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)酶的自發(fā)共定位。自組裝元件CipB蛋白、固有無(wú)序蛋白(IDPs)介導(dǎo)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(jī)遇與挑戰(zhàn):空間酶組裝技術(shù)的發(fā)展瓶頸
盡管空間酶組裝技術(shù)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(duì)酶的排列順序、化學(xué)計(jì)量比、酶間距的精細(xì)調(diào)控有限;組裝復(fù)合物在高溫、極端pH、高底物濃度等工業(yè)發(fā)酵嚴(yán)苛條件下的穩(wěn)定性與兼容性有待提升;涉及復(fù)雜的多酶裝配,易給宿主細(xì)胞帶來(lái)代謝負(fù)擔(dān)等。
未來(lái)展望:合成生物學(xué)與AI融合
為突破瓶頸,未來(lái)研究將聚焦三方面:從天然超分子結(jié)構(gòu)、極端微生物中挖掘新型組裝模塊;依托AlphaFold3、iMARS等工具,實(shí)現(xiàn)AI賦能的組裝元件理性設(shè)計(jì);整合AI設(shè)計(jì)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(dòng)微生物藥物合成工業(yè)化升級(jí),助力可持續(xù)生物制造。
該綜述第一作者為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)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(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市科技計(jì)劃以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)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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