煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是細(xì)胞內(nèi)不可或缺的輔酶,廣泛參與代謝等過(guò)程,因此改變NAD水平導(dǎo)致的生物學(xué)效應(yīng)難以預(yù)測(cè)。為突破調(diào)控天然輔酶的局限,趙宗保團(tuán)隊(duì)致力于基于非天然輔酶的合成生物學(xué)研究。前期工作中,該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了NCD,采用半理性設(shè)計(jì)及定向進(jìn)化策略,改造蘋果酸酶、乳酸脫氫酶、亞磷酸脫氫酶和甲酸脫氫酶,均獲得了NCD偏好型突變體(J. Am. Chem. Soc.,2011);通過(guò)解析晶體結(jié)構(gòu),揭示了輔酶偏好性改變的分子基礎(chǔ)(ACS Catal.,2019);以大腸桿菌為宿主,通過(guò)表達(dá)核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和NCD偏好型氧化還原酶,成功實(shí)現(xiàn)NCD介導(dǎo)的高選擇性能量傳遞(ACS Catal.,2017;Angew. Chem. Int. Ed.,2020)。然而,由于微生物難以從環(huán)境中有效攝取NCD,因此亟需解決細(xì)胞內(nèi)NCD供給問(wèn)題。
本研究以煙酸單核苷酸(NaMN)腺苷酰轉(zhuǎn)移酶(NadD)為模板,半理性設(shè)計(jì)并改造其底物NaMN和腺苷三磷酸(ATP)的結(jié)合口袋,獲得偏好煙酰胺單核苷酸(NMN)和胞苷三磷酸(CTP)的突變體,即NCD合成酶(NcdS)。該團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌中表達(dá)NcdS,實(shí)現(xiàn)利用內(nèi)源的CTP和NMN合成NCD;通過(guò)強(qiáng)化前體合成步驟,胞內(nèi)NCD含量可超過(guò)天然輔酶,達(dá)到5.0mM,獲得NCD自給型平臺(tái)菌株。此外,該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)表達(dá)NCD偏好型蘋果酸酶和D-乳酸脫氫酶,實(shí)現(xiàn)NCD介導(dǎo)的L-蘋果酸高選擇性轉(zhuǎn)化為D-乳酸。該工作為細(xì)胞內(nèi)合成非天然輔酶奠定了基礎(chǔ),為后續(xù)合成生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)研究提供了參考。
相關(guān)研究成果以題為“Creating Enzymes and Self-sufficient Cells for Biosynthesis of the Non-natural Cofactor Nicotinamide Cytosine Dinucleotide”發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作的第一作者是我所1816組助理研究員王雪穎博士。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 王雪穎)
文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22357-z
參考資料
[1] 我所研制出非天然輔酶的合成酶http://www.dicp.ac.cn/xwdt/kyjz/202104/t20210413_5992150.html
聲明:化學(xué)加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的,并不意味認(rèn)同其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述。若有來(lái)源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益,請(qǐng)作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系,我們將及時(shí)更正、刪除,謝謝。 電話:18676881059,郵箱:gongjian@huaxuejia.cn