西湖大学张骊駻团队报道装配线生物合成酶的“即插即用”改造方法

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背靠背两篇Nature Chemical Biology：西湖大学张骊駻团队报道装配线生物合成酶的“即插即用”改造方法7 _$ c4 c; s8 e
来源：生物世界 2025-04-21 15:32/ ?* b+ v5 i) O8 M2 B' |$ D! O5 M
这两项研究借助于自然酶演化规律，发展了装配线式聚酮合酶的理性重编技术，构建了一座绿色化学工厂，为稳定获取多样化聚酮化合物提供了新途径。
2 B# P; h/ `8 Z4 M- [, C, _1 Z重新设计聚酮化合物的生物合成路径以衍生化现有聚酮化合物或开发新型聚酮化合物极具研究价值，但工程化改造的代谢途径通常面临产物产量低的问题。
: A1 }- V3 z6 M0 g; G" c2025 年 4 月 18 日，目前，西湖大学张骊駻团队在 Nature Chemical Biology 期刊以背靠背形式发表了两篇研究论文，论文题为：Plug-and-play engineering of modular polyketide synthases 和 Expanding catalytic versatility of modular polyketide synthases for alcohol biosynthesis。5 `* B. E; N, i
这两项研究借助于自然酶演化规律，发展了装配线式聚酮合酶的理性重编技术，构建了一座绿色化学工厂，为稳定获取多样化聚酮化合物提供了新途径。
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& ~5 K3 }& H9 a3 b) U聚酮合酶（polyketide synthase, PKS），是一类由多个功能结构域组成的蛋白酶复合体，负责红霉素、雷帕霉素等重要天然药物合成的核心酶。其生物合成机制利用了不同酶模块的组合排序，进行单向、有序的装配线式连续催化，使其酶模块构成与产物分子结构有明确的对应关系。因此，聚酮和酶的理性设计理论上能够实现任意聚酮类产物的定制合成。" R+ l3 i6 L0 e- o; f
然而，前期研究发现，PKS 的模块替换等改造容易导致酶催化活性的降低甚至丢失，阻碍了聚酮合酶作为通用的“可编程”有机分子生产平台发展与应用。) ^) d4 \( y8 @' K/ Y
近年来，张骊駻研究员基于对 PKS 模块自然进化的分析，揭示了自然界的模块重组机理与边界，激发了借助于自然进化的规律用于聚酮合酶模块改造的新思路。. g& G' i9 a/ J% l6 k6 A
在这两项新研究中，研究团队通过聚酮合酶的大数据序列分析，寻找了进化上发生过基因重组的保守基序位点，开发了不同聚酮合酶模块的拼接改造手段。通过多个不同 PKS 间模块的拼接改造尝试，发现利用保守基序改造的 PKS 普遍表现出较高的催化活性和稳定性，能够有效的保证聚酮链的延伸效率，实现特定构型产物的精准合成。同时，该模块重编技术应用到其他类型的装配线酶中进行改造，例如杂合 PKS–NRPS，trans-AT PKS，等多种装配线生物合成酶，能够有效的催化不同延伸单元、起始单元以及立体构型聚酮类化合物的合成。+ H: R% P& M" R7 l0 A

3 n6 Y  x2 j% H: n: v模块重编技术应用于不同类型装配线酶之间的“即插即用”的模块工程改造# a. N" _8 G# K3 w* G
此外，研究团队还发展了在 PKS 装配线中引入非天然催化模块的手段，以非常规的卸载结构域-硫酯还原酶为例，实现了聚酮装配线至多醇生产线的跨界改造。研究发现，利用载体蛋白-硫酯还原酶的双模块替换能够，能够有效保证改造蛋白的催化效率和稳健性，实现了1,3-丁二醇、2-甲基-1,3-丁二醇等的生物制造，在大肠杆菌的发酵生产中达到产量近200 mg/L。) D; U" U. ]# B
同时，机制研究表明不同酶模块间有较为严谨的蛋白互作，而本次开发的改造策略能够保持这些重要的蛋白模块间互助，实现不同酶的拼接改造。这也是首次实现了此类非天然二醇的立体选择性从头生物合成，为未来PKS工程研究提供了具有普适性的指导。1 t! B1 [2 r1 Y

% g3 p8 ?: _5 j+ K$ s5 B$ W0 D6 Z! U利用聚酮合酶装配线改造生产手性多醇示意图6 f) I) P4 ~0 c2 K, ~
总的来说，这两项工作发展了聚酮合酶模块的理性编辑手段，展示了不同来源酶模块之间的“插即用”改造，并拓展了聚酮装配线的催化反应实现了非天然手性醇类从头生物合成。研究为打造类似乐高模块样的“可编程”装配线酶平台提供了理论支撑，为多样有机小分子的生物制造提供了新思路。4 Z" x7 Q4 @1 z0 F
西湖大学理学院化学系博士研究生黄自磊、姚顺宇分别为两篇论文的第一作者，西湖大学理学院化学系特聘研究员张骊駻为两篇通讯作者。博士研究生谢生令、刘润洲、相长君为该研究提供了重要支持。
5 A% [# |) e; x5 C论文理解：
6 _# Q3 }/ E, Hhttps://www.nature.com/articles/s41589-025-01883-7  ?/ T3 |/ e0 S1 S9 z
https://www.nature.com/articles/s41589-025-01878-4
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