[交大智慧]上海交大白林泉團(tuán)隊(duì)取得抗糖尿病藥物阿卡波糖生物合成機(jī)理新突破并大幅提升發(fā)酵產(chǎn)量
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白林泉團(tuán)隊(duì)深入解析了抗糖尿病藥物阿卡波糖生物合成機(jī)制，通過(guò)有效的代謝工程策略進(jìn)一步提高了阿卡波糖產(chǎn)量。相關(guān)研究成果以“A severe leakage of intermediates to shunt products in acarbose biosynthesis”為題發(fā)表于Nature Communications雜志上。上海交通大學(xué)博士研究生趙芹芹為論文第一作者，白林泉教授為通訊作者，該文作者還包括鄧子新院士、塔里木大學(xué)張利莉教授等。
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阿卡波糖是α-糖苷酶抑制劑類(lèi)天然產(chǎn)物，在臨床上作為一線藥物被廣泛用于2型糖尿病的治療，需求量大，年市場(chǎng)銷(xiāo)售額超過(guò)70億人民幣。在工業(yè)上，阿卡波糖主要通過(guò)游動(dòng)放線菌發(fā)酵生產(chǎn)。由于生物合成路徑復(fù)雜及產(chǎn)生多種副產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)類(lèi)似物，導(dǎo)致其產(chǎn)量較低和后提取工藝十分繁瑣。因此，構(gòu)建高效的生產(chǎn)菌株，提高工業(yè)化生產(chǎn)水平，是目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，由于大部分生物合成途徑尚不清楚，嚴(yán)重阻礙了通過(guò)代謝工程改造對(duì)產(chǎn)量的大幅提升。
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在這項(xiàng)研究中，作者在發(fā)酵液中鑒定出兩種大量積累的來(lái)自阿卡波糖合成途徑的分流產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)這些分流產(chǎn)物及其形成方式的系統(tǒng)深入研究，明確了環(huán)醇脫水酶AcbL和NADPH依賴(lài)性氧化還原酶AcbN的功能，修正了阿卡波糖的生物合成途徑。同時(shí)通過(guò)比較轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)氨基脫氧己糖部分的低效生物合成是引起分流產(chǎn)物形成的主要原因之一。在此基礎(chǔ)上，作者以“開(kāi)源截流”策略為指導(dǎo)，采用多種代謝工程與合成生物學(xué)手段，一方面通過(guò)多基因敲除最大限度地減少分流產(chǎn)物的積累，另一方面通過(guò)異源高效氨基脫氧己糖合成基因的引入來(lái)提高其合成能力，促進(jìn)C7-環(huán)醇中間體的有效利用，最終使阿卡波糖產(chǎn)量提高了1.2倍，達(dá)到7.4 g/L。
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這項(xiàng)研究打破了近20年來(lái)阿卡波糖生物合成機(jī)制研究的沉寂，也是首次采用分子生物學(xué)與合成生物學(xué)手段對(duì)其產(chǎn)生菌的系統(tǒng)、有效改造，為阿卡波糖的定向高產(chǎn)和提升該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究不但強(qiáng)調(diào)了分流產(chǎn)物在微生物藥物合成與產(chǎn)量提高中的重要性，還揭示了多樣的初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的交叉對(duì)話，可以更加有效的指導(dǎo)微生物藥物的高產(chǎn)改造。該項(xiàng)研究展現(xiàn)了鄧子新院士團(tuán)隊(duì)在井岡霉素、阿卡波糖等氨基環(huán)醇類(lèi)天然產(chǎn)物方面的長(zhǎng)期研究積累，高效的遺傳操作系統(tǒng)、井岡霉素多種代謝中間體和關(guān)鍵酶、氨基環(huán)醇合成機(jī)制假說(shuō)等都是取得本項(xiàng)研究突破的關(guān)鍵。
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該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和聯(lián)合基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、上海市科委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等的支持。
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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15234-8
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