編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

重新設(shè)計(jì)聚酮化合物的生物合成路徑以衍生化現(xiàn)有聚酮化合物或開(kāi)發(fā)新型聚酮化合物極具研究?jī)r(jià)值，但工程化改造的代謝途徑通常面臨產(chǎn)物產(chǎn)量低的問(wèn)題。

2025 年 4 月 18 日，目前，西湖大學(xué)張?bào)P駻團(tuán)隊(duì)在Nature Chemical Biology期刊以背靠背形式發(fā)表了兩篇研究論文，論文題為：Plug-and-play engineering of modular polyketide synthases 和 Expanding catalytic versatility of modular polyketide synthases for alcohol biosynthesis。

這兩項(xiàng)研究 借助于自然酶演化規(guī)律，發(fā)展了裝配線式聚酮合酶的理性重編技術(shù)，構(gòu)建了一座綠色化學(xué)工廠，為穩(wěn)定獲取多樣化 聚酮化合物提供了新途徑。

聚酮合酶（ polyketide synthase, PKS ），是一類(lèi)由多個(gè)功能結(jié)構(gòu)域組成的蛋白酶復(fù)合體，負(fù)責(zé)紅霉素、雷帕霉素等重要天然藥物合成的核心酶。其生物合成機(jī)制利用了不同酶模塊的組合排序，進(jìn)行單向、有序的裝配線式連續(xù)催化，使其酶模塊構(gòu)成與產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，聚酮和酶的理性設(shè)計(jì)理論上能夠?qū)崿F(xiàn)任意聚酮類(lèi)產(chǎn)物的定制合成。

然而，前期研究發(fā)現(xiàn)， PKS 的模塊替換等改造容易導(dǎo)致酶催化活性的降低甚至丟失，阻礙了聚酮合酶作為通用的“可編程”有機(jī)分子生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)展與應(yīng)用。

近年來(lái)，張?bào)P駻研究員基于對(duì) PKS 模塊自然進(jìn)化的分析，揭示了自然界的模塊重組機(jī)理與邊界，激發(fā)了借助于自然進(jìn)化的規(guī)律用于聚酮合酶模塊改造的新思路。

在這兩項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)聚酮合酶的大數(shù)據(jù)序列分析，尋找了進(jìn)化上發(fā)生過(guò)基因重組的保守 基序位點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了不同聚酮合酶模塊的拼接改造手段。 通過(guò)多個(gè)不同 PKS 間模塊的拼接改造嘗試，發(fā)現(xiàn)利用保守基序改造的 PKS 普遍表現(xiàn)出較高的催化活性和穩(wěn)定性，能夠有效的保證聚酮鏈的延伸效率，實(shí)現(xiàn)特定構(gòu)型產(chǎn)物的精準(zhǔn)合成。同時(shí)，該模塊重編技術(shù)應(yīng)用到其他類(lèi)型的裝配線酶中進(jìn)行改造，例如雜合 PKS–NRPS ， trans -AT PKS ，等多種裝配線生物合成酶，能夠有效的催化不同延伸單元、起始單元以及立體構(gòu)型聚酮類(lèi)化合物的合成。

模塊重編技術(shù)應(yīng)用于 不同 類(lèi)型 裝配線酶之間的 “ 即插即用 ” 的模塊工程改造

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了在 PKS 裝配線中引入非天然催化模塊的手段，以 非常規(guī) 的 卸載結(jié)構(gòu)域 - 硫酯還原酶 為例，實(shí)現(xiàn)了聚酮裝配線至多醇生產(chǎn)線的跨界 改造 。研究發(fā)現(xiàn)， 利用 載體蛋白 - 硫酯還原酶的雙模塊替換能夠 ，能夠有效保證改造蛋白的 催化效率和 穩(wěn)健性 ，實(shí)現(xiàn)了 1,3- 丁二醇 、 2- 甲基 -1,3- 丁二醇 等 的 生物制造，在大腸桿菌的發(fā)酵生產(chǎn)中達(dá)到產(chǎn)量近 200 mg/L 。

同 時(shí)，機(jī)制研究表明 不同酶模塊間有較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡鞍谆プ鳎敬伍_(kāi)發(fā)的改造策略能夠保持這些重要的蛋白模塊間互助，實(shí)現(xiàn)不同酶的拼接改造。這也是首次實(shí)現(xiàn)了此類(lèi)非天然二醇的立體選擇性從頭生物合成， 為未來(lái) PKS 工程研究提供了 具有 普適性的指導(dǎo)。

利用聚酮合酶裝配線改造生產(chǎn)手性多醇示意圖

總的來(lái)說(shuō)，這 兩項(xiàng)工作發(fā)展了聚酮合酶模塊的理性編輯手段，展示 了不同來(lái)源酶模塊之間的 “插即用”改造，并拓展了聚酮裝配線的催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn) 了非天然手性醇類(lèi)從頭生物合成 。研究 為打造類(lèi)似樂(lè)高模塊樣的 “可編程”裝配線酶平臺(tái)提供了理論支撐，為多樣有機(jī)小分子的生物制造提供了新思路。

西湖大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系博士研究生黃自磊、姚順宇分別為兩篇論文的第一作者，西湖大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系特聘研究員張?bào)P駻為兩篇通訊作者。博士研究生謝生令、劉潤(rùn)洲、相長(zhǎng)君為該研究提供了重要支持。

論文理解：

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01883-7

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01878-4