作為一種含硫組氨酸衍生物，麥角硫因（ERG）因其獨特的化學結構和生物活性，在食品、化妝品和醫藥行業中得到了越來越多的應用，如作為食品抗氧化劑、護膚品成分以及神經退行性疾病的潛在治療劑等。

研究表明，麥角硫因具有強大的抗氧化能力，能夠有效抵御自由基的侵害，從而保護細胞免受氧化損傷。與常見的抗氧化劑如維生素 C 和維生素 E 相比，麥角硫因在生理 pH 下主要以更穩定的硫酮形式存在，這使得它在抗氧化過程中表現出更高的活性和穩定性。此外，麥角硫因還具有金屬螯合能力，能夠與重金屬離子結合，從而減少它們在體內的毒性作用。

然而，麥角硫因的天然來源相對有限，主要存在于某些真菌、細菌以及少量植物中。傳統的化學合成方法不僅成本高昂，且易產生大量的廢棄物，對環境造成負擔。相比之下，利用微生物細胞工廠進行生物合成是一種更為可持續的策略。

近日，江南大學生物工程學院羅瑋團隊在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上發表了一篇題為”Enhancing Ergothioneine Production by Combined Protein and Metabolic Engineering Strategies”的研究，研究人員通過蛋白質工程和代謝工程相結合的策略，在大腸桿菌中實現了麥角硫因的從頭合成，并顯著提高了其產量，在 5 L 生物反應器中通過補料分批發酵產量達到 2331.58 mg/L。

為了實現麥角硫因的高效生產，研究人員首先選擇了大腸桿菌作為宿主菌，其具有培養周期短、異源蛋白表達快速和遺傳背景清晰等優勢，非常適合工業化生產。隨后，研究人員從木霉中提取了麥角硫因合成基因 Tr1 和 Tr2 （分別對應 Egt1 和 Egt2），并在大腸桿菌中實現了異源表達。然而結果表明，Tr1 和 Tr2 的表達并不理想，嚴重限制了麥角硫因的產量。

為了解決這一問題，研究團隊采用了蛋白質工程和代謝工程的策略。他們通過在關鍵基因上添加溶性標簽和進行基因截短，成功地提高了蛋白質的可溶性表達，從而顯著提升了麥角硫因的產量。

圖 | 蛋白質標簽和基因截短策略對麥角硫因產量的影響

具體來說，研究人員選擇了多種短的蛋白質標簽（如 NT11、TrxA、DsbA、DsbC、DsbG 和 GST），并將這些標簽融合到關鍵酶 Tr1 和 Tr2 的 N 端。經過多次實驗，他們發現將 DsbA 標簽融合到 Tr1 的 N 端時，麥角硫因的產量最高，達到 139.46 mg/L。此外，研究人員通過預測 Tr2 的結構域并進行截短，進一步優化了 Tr2 的表達。最終通過 DsbA-Tr1-Tr21?464AA 的組合，酶的可溶性表達得到顯著提高，麥角硫因的產量也達到了 201.27 mg/L，比初始菌株提高了 198.05%。

除了蛋白質工程，研究團隊還對大腸桿菌的代謝途徑進行了優化。麥角硫因的合成需要三種前體氨基酸：L-半胱氨酸、L-甲硫氨酸和 L-組氨酸。這些前體的供應不足是限制麥角硫因合成的主要瓶頸之一。為此，研究人員通過基因敲除和過表達等手段優化了宿主菌的代謝途徑。如敲除編碼 L-絲氨酸脫氨酶的 sdaA 基因，從而增加了 L-半胱氨酸的供應，進而提高了麥角硫因的產量。此外，他們還優化了 L-半胱氨酸合成途徑中的關鍵基因 cysE 和 cysM 的表達，通過引入抗反饋抑制突變和優化基因拷貝數，進一步提高了麥角硫因的合成效率。

最終，通過上述蛋白質工程和代謝工程的組合優化，研究團隊成功構建了高效生產麥角硫因的工程菌株 E25。

在搖瓶培養中，E25 的麥角硫因產量達到 430.9 mg/L；在 5 L 生物反應器中進行補料分批發酵時，產量更是高達 2331.58 mg/L，展現出巨大的工業化生產潛力。

總之，麥角硫因作為一種極具潛力的天然抗氧化劑，其生物合成研究展示了蛋白質工程和代謝工程的強大能力。隨著技術的不斷進步，相信麥角硫因的生產成本將進一步降低，為其在食品、醫藥和化妝品等領域因的工業化生產奠定堅實基礎。

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.5c01267

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