如果說微生物細胞是一個微型工廠，那麼細胞內的酶就是這個工廠內的機器，這些納米級別的機器無時不刻地催化著細胞內的多種化學反應。天然的生物催化體系通常在微生物細胞這個微型工廠內會形成物理上、空間上組織有序的多酶複合體、酶分子腳手架或者反應微區，這種類似機器組裝的高度組織性帶來了高效的催化能力。
然而，人工構建的合成體系多不存在這種高效的組織性，由此引發的目標途徑合成效率低、代謝流不平衡等問題，很大程度上限制了人工合成體系的生物製造潛力。
北京時間9月22日，中科院深圳先進技術研究院馬田副研究員、武漢大學劉天罡教授團隊與鄧子新院士合作在《Nature Communications》上發表題為「Metabolic pathway assembly using docking domains from type I cis-AT polyketide synthases」的研究成果。該研究模擬了天然模塊聚酮合酶的有序組裝，開發的mPKSeal策略能夠有效提高人工細胞工廠的合成效率。
該研究通過模擬天然模塊聚酮合酶 (PKS) 高度有序的組裝方式，利用其中研究較多的I型cis-AT聚酮合酶對接域，開發了「mimic PKS enzyme assembly line (mPKSeal)」多酶組裝策略（圖1），並應用於蝦青素合成途徑酶的組裝，蝦青素的產量最高提高了2.4倍 （產量達16.9 mg/g DCW）。這是該研究團隊繼RIAD/RIDD雙酶組裝策略[1]之後的又一多酶組裝策略的開發，前者已在不同報導中顯示出其良好的應用潛力[2,3]，而mPKSeal策略不再局限於兩種酶的組裝，而是可拓展為同一體系中的多種酶有序組裝，且潛在的組裝元件個數超萬，可為生物催化、代謝工程及合成生物學等相關領域提供更廣泛有效的提高合成效率的解決方案。
圖 1. mPKSeal多酶組裝策略（以紅黴素聚酮合酶DEBS為例）
對接域的體內體外組裝研究。為了驗證從天然PKS系統中剝離出來的相互作用元件-對接域的識別與組裝能力，本研究分別在體外和體內實驗中驗證了獨立於聚酮合酶的對接域仍保持著良好的相互作用能力。體外實驗評估了來源於紅黴素聚酮合酶（DEBS）和雷帕黴素聚酮合酶（RAPS）對接域相互作用的動力學參數（圖2），體內實驗利用螢光蛋白的定位變化驗證了對接域介導非PKS的異源酶組裝能力（圖3）。
圖2. 體外評估對接域的相互作用力
圖3. 體內驗證對接域介導非PKS的異源酶組裝能力
mDEBSeal策略用於蝦青素代謝途徑酶組裝。在前期研究中，研究團隊已經構建了一株蝦青素高產菌株。在研究中發現，該菌株表現出代謝中間體的積累（Ac-CoA、acetoacetyl-CoA、IPP/DMAPP及beta-carotene）。因此，為了減少中間體的積累，進一步提高蝦青素的產量，在本研究中，作者將源於DEBS的mDEBSeal策略用於蝦青素代謝途徑酶組裝：將細胞內不同空間分布的蝦青素代謝途徑酶進行質膜酶多組合組裝。結果表明，組裝菌株中蝦青素產量均有提高，其中在胞質-胞膜三酶組裝（Idi-CrtE-CrtB）菌株A8中，蝦青素產量提高了2.4倍，達到16.9 mg/g DCW（圖4）。
圖 4. mDEBSeal策略用於蝦青素代謝途徑酶組裝
來源於天然I型cis-AT PKS的對接域形成的mPKSeal策略研究。目前，自然界中已經被鑑定的I型cis-AT PKS超過1600種，這些多樣的PKS系統含有多樣的對接域。為了拓展mPKSeal的應用潛力，作者進一步探究了來源於不同PKS的mAURSeal、mFKBSeal及mRAPSeal策略的應用。結果表明，三個策略的應用使蝦青素的產量均表現出明顯的提升（圖5）。由此表明，來源於不同天然I型cis-AT PKS的對接域同樣能夠用於mPKSeal策略。
圖 5. 不同天然I型cis-AT PKS的mPKSeal策略研究
由不同分類的對接域形成的mPKSeal策略研究。在前期研究中，基於蛋白-蛋白共進化的生物系統聚類分析，研究人員將不同PKS來源的對接域進一步劃分為不同類別：H1a–T1a, H1b–T1b，H2–T2等。為了進一步探究不同類別對接域組合應用的潛力，作者測試了來自不同PKS的多組不同類別的對接域組合應用，發現即使是不同PKS的對接域在同一分類下仍然能夠有序組裝，並實現蝦青素產量的提升（圖6）。
圖 6. 不同分類對接域的mPKSeal策略研究
本研究開發的mPKSeal策略一方面為天然產物的高效合成提供了一種新策略；另一方面，mPKSeal策略中上萬個潛在的組裝元件，有望突破現有組裝元件的個數，並改善同一體系中組裝不同對象數量上的限制，為更廣泛的應用場景提供工具和策略選擇。
論文連結：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33272-2