劉天罡課題組： 新型人工蛋白骨架精準(zhǔn)組裝細(xì)胞內(nèi)代謝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)而匯聚代謝流 相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》
劉天罡課題組：
新型人工蛋白骨架精準(zhǔn)組裝細(xì)胞內(nèi)代謝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)而匯聚代謝流
相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》
如果說(shuō)細(xì)胞是一個(gè)微型工廠，那么細(xì)胞內(nèi)的酶就是這個(gè)工廠內(nèi)的機(jī)器，這些納米級(jí)別的機(jī)器無(wú)時(shí)不刻的催化著細(xì)胞內(nèi)的多種化學(xué)反應(yīng)。天然的生物催化體系通常在細(xì)胞這個(gè)微型工廠內(nèi)會(huì)形成物理上、空間上組織有序的多酶復(fù)合體、酶分子腳手架或者反應(yīng)微區(qū)，這種類似機(jī)器組裝的高度組織性帶來(lái)了高效的催化能力。然而，目前合成生物學(xué)中構(gòu)建的人工合成體系失去了自然系統(tǒng)原有的協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制，不但大大降低了整體的催化效率，也會(huì)導(dǎo)致代謝流不平衡，使帶有毒性的中間產(chǎn)物發(fā)生積累進(jìn)而增加了宿主細(xì)胞的代謝壓力。
武漢大學(xué)劉天罡課題組、香港中文大學(xué)夏江課題組近期在《Nature communications》聯(lián)合發(fā)表了題為“Modular enzyme assembly for enhanced cascade biocatalysis and metabolic flux”的論文，香港中文大學(xué)康巍博士、武漢大學(xué)馬田博士為本文共同第一作者。
該研究采用一種人工蛋白骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于一對(duì)簡(jiǎn)單的多肽相互作用標(biāo)簽RIAD和RIDD，實(shí)現(xiàn)了兩種酶體外以及體內(nèi)的有效組裝。RIDD是一段來(lái)源于cAMP依賴的蛋白質(zhì)激酶A的由四十四個(gè)氨基酸構(gòu)成的多肽，RIAD則是一段來(lái)源于激酶A錨定蛋白質(zhì)的僅由十八個(gè)氨基酸構(gòu)成的兩親性多肽。RIDD會(huì)自發(fā)形成生理?xiàng)l件穩(wěn)定的二聚體，RIAD則會(huì)進(jìn)一步與RIDD二聚體結(jié)合，形成穩(wěn)定的三聚結(jié)構(gòu)。通過(guò)在目的蛋白上分別融合表達(dá)這一對(duì)多肽標(biāo)簽，就能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)酶體外和體內(nèi)的組裝。作者發(fā)現(xiàn)RIAD和RIDD可以有效地介導(dǎo)相關(guān)酶形成多種形態(tài)、催化亞基比例各異的多酶復(fù)合物，通過(guò)調(diào)節(jié)催化亞基比例，多酶連續(xù)催化反應(yīng)效率可以人為地進(jìn)行調(diào)控，并在增加多比例組裝時(shí)進(jìn)一步提升產(chǎn)量。
實(shí)際應(yīng)用中，這種策略也展現(xiàn)出了其便捷性和高效性。萜類是自然界中最為豐富的一類化合物，在生物醫(yī)藥、能源、食品和化妝品領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。其合成途徑可分為上下游，上游部分提供萜類合成前體；下游部分則通過(guò)對(duì)前體進(jìn)行縮合、環(huán)化、氧化等一系列修飾，最終生成多樣的萜類化合物。Idi為上游代謝途徑的最后一個(gè)酶，該酶游離在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)；CrtE是下游類胡蘿卜素生物合成的第一個(gè)酶，然而，該酶分布在細(xì)胞膜上。IPP和DMAPP作為萜類合成的通用前體，當(dāng)我們靶向合成類胡蘿卜素時(shí)，上下游的空間效應(yīng)降低了人工細(xì)胞工廠的合成效率，同時(shí)，上下游的不平衡也導(dǎo)致前體的積累進(jìn)而抑制了細(xì)胞生長(zhǎng)。
通過(guò)利用RIAD-RIDD組裝構(gòu)建Idi-CrtE多酶復(fù)合物，作者在分布膜蛋白CrtE的細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)了大量的Idi，同時(shí)，類胡蘿卜素的合成通量發(fā)生了極大地提高。該技術(shù)將原本存在物理分割的代謝通路實(shí)現(xiàn)了鏈接，Idi-CrtE多酶復(fù)合物如同一個(gè)紐帶，將更多的萜類合成前體引流至下游目標(biāo)途徑。通過(guò)在蝦青素大腸桿菌高產(chǎn)菌株體內(nèi)構(gòu)建Idi-CrtE多酶復(fù)合物，蝦青素產(chǎn)量提高了2.7倍，類胡蘿卜素產(chǎn)量提高了5.7倍。通過(guò)在番茄紅素釀酒酵母高產(chǎn)菌株體內(nèi)構(gòu)建Idi-CrtE多酶復(fù)合物，番茄紅素產(chǎn)量提高了58%，達(dá)到2.3 g/L，與目前報(bào)道的釀酒酵母產(chǎn)番茄紅素的最高產(chǎn)量。
通過(guò)構(gòu)建多酶復(fù)合物的方式鏈接生物合成的關(guān)鍵代謝節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)途徑產(chǎn)量的提升，尤其針對(duì)具有不同空間分布酶的人造代謝體系，不僅解決了底物傳遞通道問(wèn)題，也減輕了人工代謝體系的不平衡問(wèn)題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的創(chuàng)新高產(chǎn)具有重要意義。該技術(shù)豐富并拓展了人工蛋白骨架的應(yīng)用環(huán)境及適用范圍，是目前人工蛋白骨架技術(shù)發(fā)展中非常適合微生物體內(nèi)使用并且實(shí)用有效的一種技術(shù)，其不僅為萜類化合物的高效合成提供一種新的策略和思路，也為多酶組裝的相關(guān)應(yīng)用及發(fā)展提供一個(gè)新的突破口。開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜體系組裝的人工蛋白骨架技術(shù)無(wú)疑將是未來(lái)合成生物學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)。
圖1 由RIAD-RIDD介導(dǎo)的代謝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)組裝促進(jìn)微生物細(xì)胞工廠的高效合成
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12247-w
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