在生物制造領域，如何實現高效、可編程的小分子生物合成平臺是一個長期挑戰。二醇、氨基醇和羥基酸廣泛應用于工業溶劑、聚合物單體、醫藥中間體和化妝品添加劑。然而，現有的代謝工程方法主要依賴于針對單一目標分子的優化，缺乏通用性，難以靈活拓展至更多產品。

針對這一問題，加州大學伯克利分校 Jay Keasling課題組的研究人員近日開發了一種基于聚酮合酶（PKS）的模塊化生物合成平臺，突破了傳統代謝工程的瓶頸，實現了中鏈和支鏈二醇、氨基醇及羥基酸的高效生物合成，為精準設計微生物合成路徑提供了新的解決方案。文章以題為“A polyketide-based biosynthetic platform for diols, amino alcohols and hydroxy acids”發表于 Nature Catalysis 期刊。

這項工作的第一作者但青云本科畢業于北京大學生命科學學院，獲得生物學學士學位。隨后，他在密歇根大學安娜堡分校接受博士訓練，并在 Janet Smith 教授的指導下獲得生物化學博士學位。他的博士研究主要聚焦于真菌吲哚生物堿的生物合成機制解析，期間鑒定并表征了依賴還原反應的 Diels-Alder 環化酶，揭示了該酶在生物合成途徑中的關鍵作用。之后加入加州大學伯克利分校，在 Jay Keasling 教授的實驗室從事博士后研究，致力于基于聚酮合酶（PKS）的生物合成平臺構建。

I 型聚酮合酶（Type I PKS）作為一類高度模塊化的酶系統，在自然界中負責合成多種復雜次級代謝產物，如抗生素、免疫抑制劑和其他生物活性分子。PKS 的合成能力源于其模塊化結構，其功能模塊包括酰基轉移酶（AT）、酮合成酶（KS）、酮還原酶（KR）、脫水酶（DH）、烯酮還原酶（ER）和酰基載體蛋白（ACP）等，每個模塊分別決定中間體化合物的結構及官能團修飾，并最終決定產物的化學結構。這種模塊化特性使其成為可編程的生物合成工具，能夠在 DNA 水平上調整其功能模塊，以生成不同的目標產物。

傳統的 PKS 通常利用硫酯酶（TE）終止生物合成路徑，通常生成羧酸或內酯類化合物。然而，這種方法無法直接合成醇類或氨基醇化合物，限制了其在生物制造中的應用。本研究提出了一種新的合成策略，即 PKS-TR 平臺，以硫還原酶（TR）替代傳統的硫酯酶，使得 PKS 系統能夠在鏈終止時生成醛，并進一步轉化為醇或氨基醇，從而突破傳統 PKS 生物合成的化學局限性。

在本研究中，研究人員首先對 TR 的功能進行了深入解析，以明確其在調控最終產物類型中的作用。系統的譜系分析表明，TR 屬于短鏈脫氫酶/還原酶（SDR）家族，并在多個鏈霉菌屬（Streptomyces）的聚酮合酶系統中獨立進化，表明其在微生物次級代謝中的廣泛性。生物化學分析表明，TR 依賴 NADPH 進行催化，能夠特異性識別 ACP-結合的聚酮硫酯中間體，并將其高效轉化為醛，同時無法進一步還原為醇。TR 對 ACP-結合的底物具有顯著的親和力，而對游離硫酯底物的催化效率較低，這一特性確保了其在 PKS 系統中的高度專一性。

在此基礎上，研究人員針對目標小分子結構優化了 PKS 的裝載模塊選擇，利用 Rimocidin PKS 的裝載單元，使其能夠適配多種起始底物，如乙酰輔酶 A、丙酰輔酶 A 和丁酰輔酶 A，從而為二醇和氨基醇合成提供了多樣性基礎。裝載模塊的優化為不同類型的中間體生成奠定了基礎，使 PKS 能夠靈活接受不同的初始底物。

針對延伸模塊，研究人員通過引入特定的酰基轉移酶，實現了對甲基/乙基-丙二酰輔酶 A 的選擇性加載，使合成產物能夠帶有支鏈結構。這一策略使得 PKS 能夠生產中鏈和支鏈二醇，拓展了該生物合成平臺的分子多樣性。

在終止模塊優化方面，研究人員通過硫還原酶替代傳統的硫酯酶，并結合醇脫氫酶（ADH）的過表達篩選，最終在白色鏈霉菌（Streptomyces albus J1074）中實現了 1,3-二醇的高效生物合成。實驗表明，該系統成功合成了 9 種 1,3-二醇，包括 1,3-丁二醇、1,3-己二醇和 2-乙基-1,3-己二醇（2-E-1,3-HDO）等，其中搖瓶內的最高二醇產量可達到1008.5 mg/L。此外，通過過表達巴豆酰輔酶 A 羧化酶/還原酶以及增加 L-纈氨酸供給，最終提高 butyryl-CoA 的底物濃度的方式，研究人員進一步優化了 1,3-己二醇的合成，使其產量達到 779.4 mg/L，證明了通過調控底物池來有效調控該平臺產物合成的可行性。

值得注意的是，該研究還首次在微生物中實現了 2-乙基-1,3-己二醇的生物合成。該化合物作為重要的化妝品原料和溶劑，在工業上具有廣泛的應用前景。在 2-乙基-1,3-己二醇的合成過程中，研究人員發現僅依賴 TR 和 ADH 無法生產目標化合物，還需同時過表達羧酸還原酶（CAR）。通過調整 PKS 的裝載和延伸模塊，并結合優化的醇脫氫酶，該團隊成功實現了該化合物的生產，為未來進一步優化其生物合成奠定了基礎。

除了二醇合成，該研究還探索了 PKS-TR-TA（轉氨酶）策略，成功實現了氨基醇的高效生物合成。氨基醇是一類重要的醫藥和精細化工中間體，傳統的生物合成方法通常依賴于特定的氨基酸前體骨架，導致目標產物的可選擇范圍較低。本研究通過 TR 終止后結合特異性轉氨酶（TA），實現了 1-氨基-3-己醇、1-氨基-3-戊醇等氨基醇分子的生物合成。此外，研究人員通過調控底物池，使 1-氨基-3-己醇的產量從 17.1 mg/L 提高至 364.4 mg/L。這一結果表明，PKS-TR-TA 策略能夠進一步豐富 PKS 系統的合成產物類別，為生物制造氨基醇及其衍生物提供了全新的方法，也為未來相關藥物分子的生物合成奠定了基礎。

本研究成功開發了一種基于聚酮合酶-硫還原酶的可編程生物合成平臺，首次在微生物中高效合成了多種二醇、氨基醇和羥基酸，為精準生物制造提供了新策略。這一研究為未來基于聚酮合酶的合成生物學和代謝工程的進一步發展提供了新的可能性。

1. Dan, Q., Chiu, Y., Lee, N. et al. A polyketide-based biosynthetic platform for diols, amino alcohols and hydroxy acids. Nat Catal (2025). https://doi.org/10.1038/s41929-025-01299-5

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