近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物技術(shù)部生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化研究組（1816組）趙宗保研究員團(tuán)隊(duì)在微生物能量代謝控制研究方面取得新進(jìn)展，成功將無(wú)機(jī)化能傳遞給一種可與生物相容的能量載體，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑的選擇性驅(qū)動(dòng)，相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Catalysis上（DOI: 10.1021/acscatal.6b03579）。
大連化物所能量代謝控制研究取得新進(jìn)展
能量代謝是生命活動(dòng)的基本特征之一，需要能量載體（輔酶）介導(dǎo)。天然能量載體如還原型吡啶核苷酸輔酶（Nicotinamide adenosine dinucleotide，NADH），由于可參與眾多代謝反應(yīng)和其它生物過(guò)程，使能量代謝調(diào)控存在選擇性差、生物學(xué)效應(yīng)可預(yù)見性低等突出問題。因此，該研究團(tuán)隊(duì)提出基于非天然輔酶的能量代謝控制策略。前期工作中，設(shè)計(jì)合成了非天然輔酶煙酰胺胞嘧啶二核苷酸（Nicotinamide cytosine dinucleotide，NCD），改造了氧化還原酶的輔酶結(jié)合口袋，篩選得到非天然輔酶偏好型的突變酶；體外實(shí)驗(yàn)表明，突變酶可保持與野生酶相當(dāng)?shù)拇呋?、底?span>/產(chǎn)物選擇性等催化性能，從而創(chuàng)建了生物正交的氧化還原催化體系（J. Am. Chem. Soc.,2011,133,20857）。
本研究中，研究團(tuán)隊(duì)成功改造并獲得了NCD偏好型亞磷酸脫氫酶突變體Pdh*，以用于催化氧化亞磷酸鹽高效產(chǎn)生還原型非天然輔酶NCDH；設(shè)計(jì)了一系列體外多酶催化體系，發(fā)現(xiàn)NCDH介導(dǎo)的反應(yīng)獨(dú)立于其它依賴天然輔酶的反應(yīng)，即具有選擇性能量傳遞的特性。以大腸桿菌為宿主，采用基因工程手段過(guò)表達(dá)Pdh*、NCD偏好型蘋果酸酶突變體Mae*和核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Ndt，所得工程菌在亞磷酸鹽、葡萄糖和催化量NCD存在下孵育，蘋果酸產(chǎn)量和得率比不添加NCD的體系均有顯著提高；而不表達(dá)Ndt的工程菌，體系中添加NCD對(duì)蘋果酸積累無(wú)明顯影響。結(jié)果說(shuō)明，工程菌攝取NCD，利用亞磷酸鹽為能量源，產(chǎn)生NCDH，選擇性驅(qū)動(dòng)Mae*催化的丙酮酸還原羧化反應(yīng)合成蘋果酸。該研究成果為開展基于非天然輔酶的化學(xué)生物學(xué)和合成生物學(xué)研究提供了科學(xué)依據(jù)。
上述工作得到科技部“973計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金和催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
