甾體化合物是一類非常重要的藥物原料，包括我們熟悉的膽固醇、孕烯醇酮等。它們在醫藥領域有著廣泛應用，可以用于制造抗炎藥、免疫調節劑和激素類藥物等。

但是甾體化合物結構往往十分復雜，傳統化學合成方法步驟繁瑣、成本高昂，在利用人工設計的細胞工廠進行甾體的生物合成時，也常常遇到瓶頸——生化反應中的大部分酶類需要依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）通過復雜的電子傳遞鏈來完成催化反應，而電子在傳遞過程中往往會遇到三個主要問題：傳遞距離太長，電子容易發生損耗；傳遞路徑不穩定，傳遞效率低下；細胞內的 NADPH 不足，這些因素都限制了甾體的高效合成。

圖 | 釀酒酵母中膽固醇、孕烯醇酮合成的主要和次要代謝途徑

為了突破這一生產瓶頸，近日，江南大學生物工程學院周景文教授團隊在 Nature Communications 上發表了題為"Electron transfer engineering of artificially designed cell factory for complete biosynthesis of steroids"的研究成果。研究團隊通過系統改造釀酒酵母中的電子轉移，大幅提高了甾體化合物如膽固醇和孕烯醇酮的生物合成效率，在 5 L 生物反應器中分別獲得 1.78 g/L 和 0.83 g/L 的產量，為甾體藥物的工業化生產帶來了新突破。

研究團隊分別以膽固醇（Cho）和孕烯醇酮（Prn）的合成為模型，通過電子傳遞工程的標準化改造，優化了合成過程中的兩大關鍵限速步驟。

首先，研究通過 AlphaFold2 蛋白質結構預測和分子對接技術，解析了膽固醇合成的關鍵酶——7-脫氫膽固醇還原酶（DHCR7）的三維結構，發現其電子傳遞鏈由多個芳香族氨基酸殘基組成，傳遞距離長達 29.4 埃，這是導致催化效率低下的主要原因。

因此，研究團隊對 DHCR7 進行了系統性改造。通過四步理性設計：優化底物識別域結構、增強底物結合能力、縮短電子捕獲距離、提升電子傳遞效率，最終獲得的突變 MuDHCR7 使膽固醇的產量提高，比野生型 BtDHCR7 提高了近 6 倍。且電子傳遞鏈縮短了 68%，顯著提高了活性。

圖 | 設計Bt DHCR7 的電子轉移系統

而在孕烯醇酮合成途徑中，研究人員從 28 個不同物種中篩選出活性最高的植物源 P450scc 酶進行了改造，如通過引入酸性殘基優化其催化微環境，以及利用柔性連接肽縮短氧化還原伴侶間的距離等，實驗表明，改造后的酶能夠更有效地完成側鏈裂解這一關鍵步驟，可提升 37% 的電子傳遞效率。

此外，除了改造單個酶，研究人員還對整個細胞工廠進行了系統優化。研究人員通過引入葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（GDH）等優化戊糖磷酸途徑的 NADPH 生成能力，使細胞內 NADPH/NADP + 比例從 0.3 提高到 0.8，為電子傳遞提供更充足的原料。同時，引入人類來源的電子傳遞組件（ADR-ADX），引導碳通量向目標產物合成路徑傾斜，令更多原料流向膽固醇和孕烯醇酮的合成。

最終，經過一系列改造和優化策略。在 5 L 生物反應器中，釀酒酵母細胞工廠合成的膽固醇產量達到 1.78 g/L，孕烯醇酮產量 0.83 g/L，分別是初始菌株的數十倍之多。實現了甾體化合物的生產的明顯突破。

總之，這項研究不僅解決了類固醇合成中的關鍵技術難題，也為我們帶來了了合成生物學的新視角：電子傳遞工程（ETE）不再局限于單一環節的改造，而是可從電子供體再生、傳遞鏈優化到活性中心微環境進行整體優化，有望應用于更多高附加值天然產物的合成。

參考文獻：

1.Chen, Q., Wei, W., Chao, Z. et al. Electron transfer engineering of artificially designed cell factory for complete biosynthesis of steroids. Nat Commun 16, 3740 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58926-9

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