聚酮合酶（PKS）是一類由多個功能結構域組成的蛋白酶復合體，其生物合成機制利用了不同酶模塊的組合排序，進行單向、有序的裝配線式連續催化，使其酶模塊構成與產物分子結構有明確的對應關系。

自然界中，鏈霉菌等微生物像一座座微型化工廠，憑借體內流水線式酶——PKS，源源不斷地制造出紅霉素、雷帕霉素等復雜藥物分子。這些分子結構精巧、功能多樣，但人類若想模仿自然、定制生產新分子，卻長期受困于一個難題：如何像搭樂高一樣重組 PKS 模塊而不讓酶“罷工”或者效率大打折扣？

近日，西湖大學張驪駻團隊在 Nature Chemical Biology 期刊發表了兩篇研究論文，分別為：“Plug-and-play engineering of modular polyketide synthases”和“Expanding catalytic versatility of modular polyketide synthases for alcohol biosynthesis”。

研究人員發展了一種裝配線式聚酮合酶的理性重編技術，大幅提高了酶的穩定性和催化效率。此外，研究人員通過將硫酯還原酶結構域插入流水線聚酮化合物合酶中，實現了非天然二醇（即 1,3-丁二醇和 2-甲基-1,3-丁二醇）的生物合成。這兩項研究借助于自然酶演化規律，為穩定獲取多樣化聚酮化合物提供了新途徑。

首先，研究團隊通過分析上百條天然 PKS 序列，發現在連接 PKS 模塊的序列中有兩個高度保守的基序——RYWL 和 RL。這些序列在進化中高度保守，提示其在維持酶結構與功能中的關鍵作用。

為了驗證該假設，研究人員首先選擇了操作簡單、易于表征的 venemycin PKS（VemG, VemH）為改造模板，并將進化上與 VemG 相近且起始單元結構相似的 candicidin PKS（Fsc）進行拼接改造。結果表明，相較于傳統模塊切點（Fsc-Vem-3）和近期報道的 KS 后段切點（Fsc-Vem-2），RYWL切點（Fsc-Vem-1）表現出較高的改造效率。體外酶測定表明，與 Fsc–Vem-1 和 Fsc–Vem-2 相比，Fsc–Vem-3 顯示產物的產量減少了 20 倍。

為了進一步驗證 RYWL 切點的通用性，作者選擇了進化上與 VemG 較遠、利用不同起始單元的多個 PKS 進行拼接改造，結果表明，除了雷帕霉素（Rap）PKS，RYWL 切點改造均表現出較高的催化活性和穩定性。

圖 | 對不同切割位點構建各種混合途徑的評估

此外，團隊初步試探了聚酮合酶模塊和模塊之間的組合規律，并引入了非天然催化模塊硫酯還原酶（TR）。硫酯還原酶結構域作為一種非常規卸載結構域，能夠催化聚酮鏈的還原釋放，形成醛或伯醇官能團。

研究團隊通過多層實驗證明，含有載體蛋白-硫酯還原酶的雜合 PKS 可以合成不同 α-甲基和 β-羥基立體特征的二醇類產物，最終實現了非天然（自然不存在的）手性二醇的首次生物制造。如 1,3-丁二醇、2-甲基-1,3-丁二醇等的生物制造，產量達 194 mg/L。這類分子在藥物開發中極具價值，但其立體構型控制一直是化學合成的難點。生物合成路徑的突破，意味著未來或能通過基因編輯“編碼”分子手性，為抗癌藥、抗生素的設計提供全新工具箱。

圖 | 通過模塊化 PKS 工程生產 1,3-BDO 和 2-甲基-1,3-BDO

聚酮合酶能涵蓋的產物分子結構特別廣，這項酶改造技術有望應用于燃料、聚合物、塑料、添加劑、藥物等廣泛有機分子，實現這些化學物品的綠色生物制造。

當然，走向“即插即用”時代仍需攻克諸多挑戰。當前雜合途徑的產量雖在實驗室尺度達標，但距離工業級生產還有數量級差距；模塊間的底物兼容性、輔因子供應等問題也需系統優化。

當前，該團隊已通過國際合作共享部分模塊序列，推動建立開放性的 PKS 工程平臺。隨著合成生物學與人工智能技術的交叉融合，理性設計 PKS 或將成為下一代生物制造的基石，重塑藥物、能源等領域的生產方式。

1.Huang, Z., Xie, S., Liu, RZ. et al. Plug-and-play engineering of modular polyketide synthases. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-01878-4

2.Yao, S., Xie, S., Liu, RZ. et al. Expanding catalytic versatility of modular polyketide synthases for alcohol biosynthesis. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-01883-7

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