9月28日，Metabolic Engineering Communications期刊在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组题为“Diversion of metabolic flux towards 5-deoxy(iso)flavonoid production via enzyme self-assembly in Escherichia coli”的研究论文，该研究利用蛋白自组装策略实现了大肠杆菌中5-脱氧类黄酮甘草素的生物合成。
黄酮是具有C6-C3-C6结构的多酚类物质，是植物在长期自然选择过程中产生的一类次级代谢产物，具有多种生理功能，在医药、食品及保健品领域具有广泛地应用价值。根据A环C5位是否存在羟基，黄酮类化合物可分为C5-羟基类黄酮及C5-脱氧类黄酮两大类。前者广泛存在于各种植物体内，而后者较为罕见，主要存在于豆科植物中。近年来，5-脱氧类黄酮在医药、保健品和食品添加剂等方面的潜在应用引起了人们的广泛关注，鉴于其在植物中的分布较少，利用工程微生物异源合成是大量廉价获取该类化合物的替代方案。
在本工作中，作者通过基因组信息挖掘了甘草中的查尔酮还原酶(CHR)基因，在大肠杆菌中构建了5-脱氧类黄酮甘草素的合成途径。但该菌株的发酵产物积累了大量的5-羟基类黄酮柚皮素，甘草素产量仅为柚皮素的1/4。这与植物中天然存在的情形类似。为了优化甘草素的合成，作者利用不同植物来源查尔酮合成酶(CHS)与CHR进行正交筛选，发现来源于大豆（Glycine max）的查耳酮合酶GmCHS7和来自于甘草（Glycyrrhizza uralensis）的查尔酮还原酶GuCHR，组合后可以将甘草素比例从39.7% 提高到 50.3%。为进一步增加产物中甘草素的比例，研究人员开发出一种顺序自组装酶反应器，利用相互作用的蛋白对（PDZ和PDZ ligand）将GmCHS7和GuCHR进行双酶自组装，借此较少中间体扩散及传递时间，从而使反应优先流向甘草素方向。该策略有效促进了甘草素的生成，使产物中甘草素的比例提高到55%，合成产量达到45 mg/L。
为进一步提高总碳代谢通量，采用GmCHS7、GuCHR和来自于苜蓿（Medicago sativa）的MsCHI三种催化顺序的化学计量排列对15种蛋白质支架进行了设计，使总黄酮产量增加1.4倍，在摇瓶中从69.4 mg/L增加到97.0 mg/L。该蛋白的自组装策略也提高了大肠杆菌谱系特异性化合物7,4 ' -二羟基黄酮和大豆苷元的产量和方向。本研究为微生物生产具有附加值的5-脱氧黄酮类化合物提供了基础。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心李建华博士和河南大学硕士生许方琳为该论文并列第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究员为通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然基金、上海市优秀学术带头人计划、中科院战略性先导科技专项等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mec.2021.e00185
