上海交大白林泉團(tuán)隊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、微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室白林泉團(tuán)隊深入解析了抗糖尿病藥物阿卡波糖生物合成機(jī)制，通過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。
阿卡波糖是α-糖苷酶抑制劑類天然產(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，年市場銷售額超過70億人民幣。在工業(yè)上，阿卡波糖主要通過游動放線菌發(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)重阻礙了通過代謝工程改造對產(chǎn)量的大幅提升。
在這項研究中，作者在發(fā)酵液中鑒定出兩種大量積累的來自阿卡波糖合成途徑的分流產(chǎn)物。通過對這些分流產(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。同時通過比較轉(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，另一方面通過異源高效氨基脫氧己糖合成基因的引入來提高其合成能力，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。
這項研究打破了近20年來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)域的國際競爭力奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。這項研究不但強(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代謝與次級代謝的交叉對話，可以更加有效的指導(dǎo)微生物藥物的高產(chǎn)改造。該項研究展現(xiàn)了鄧子新院士團(tuán)隊在井岡霉素、阿卡波糖等氨基環(huán)醇類天然產(chǎn)物方面的長期研究積累，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)制假說等都是取得本項研究突破的關(guān)鍵。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項目和聯(lián)合基金項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、上海市科委基礎(chǔ)研究項目等的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15234-8
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