近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化研究組研究員趙宗保團(tuán)隊(duì)在非天然輔酶研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研制出煙酰胺胞嘧啶二核苷酸（NCD）合成酶和NCD自給型微生物細(xì)胞，并成功用于構(gòu)建高選擇性物質(zhì)代謝途徑。
大連化物所研制出非天然輔酶的合成酶
煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）是細(xì)胞內(nèi)不可或缺的輔酶，廣泛參與代謝等過(guò)程，因此改變NAD水平導(dǎo)致的生物學(xué)效應(yīng)難以預(yù)測(cè)。為突破調(diào)控天然輔酶的局限，趙宗保團(tuán)隊(duì)致力于基于非天然輔酶的合成生物學(xué)研究。前期工作中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了NCD，采用半理性設(shè)計(jì)及定向進(jìn)化策略，改造蘋(píng)果酸酶、乳酸脫氫酶、亞磷酸脫氫酶和甲酸脫氫酶，均獲得了NCD偏好型突變體（J. Am. Chem. Soc.，2011）；通過(guò)解析晶體結(jié)構(gòu)，揭示了輔酶偏好性改變的分子基礎(chǔ)（ACS Catal.，2019）；以大腸桿菌為宿主，通過(guò)表達(dá)核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和NCD偏好型氧化還原酶，成功實(shí)現(xiàn)NCD介導(dǎo)的高選擇性能量傳遞（ACS Catal.，2017；Angew. Chem. Int. Ed.，2020）。然而，由于微生物難以從環(huán)境中有效攝取NCD，因此亟需解決細(xì)胞內(nèi)NCD供給問(wèn)題。
本研究以煙酸單核苷酸（NaMN）腺苷酰轉(zhuǎn)移酶（NadD）為模板，半理性設(shè)計(jì)并改造其底物NaMN和腺苷三磷酸（ATP）的結(jié)合口袋，獲得偏好煙酰胺單核苷酸（NMN）和胞苷三磷酸（CTP）的突變體，即NCD合成酶（NcdS）。該團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌中表達(dá)NcdS，實(shí)現(xiàn)利用內(nèi)源的CTP和NMN合成NCD；通過(guò)強(qiáng)化前體合成步驟，胞內(nèi)NCD含量可超過(guò)天然輔酶，達(dá)到5.0mM，獲得NCD自給型平臺(tái)菌株。此外，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)表達(dá)NCD偏好型蘋(píng)果酸酶和D-乳酸脫氫酶，實(shí)現(xiàn)NCD介導(dǎo)的L-蘋(píng)果酸高選擇性轉(zhuǎn)化為D-乳酸。該工作為細(xì)胞內(nèi)合成非天然輔酶奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)合成生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)研究提供了參考。
相關(guān)研究成果以題為“Creating Enzymes and Self-sufficient Cells for Biosynthesis of the Non-natural Cofactor Nicotinamide Cytosine Dinucleotide”發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是大連化物所生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化研究組助理研究員王雪穎博士。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
