代谢工程

    2019年2月27日，唐双焱课题组，金建明课题组和何洋课题组在《Nature Communications》发表了题为 “Promiscuous enzymatic activity-aided multiple-pathway network design for metabolic flux rearrangement in hydroxytyrosol biosynthesis”混杂酶活性辅助多途径网络设计在羟酪氨酸生物合成中的代谢通量重排。

唐

双焱中国科学院微生物研究所研究员、百人计划。

研究领域：以蛋白质工程为基础的微生物酶的改造与应用，碳水化合物酶的改造，小分子化合物的生物合成。

金

建明  北京工商大学理学院教授

研究领域：植物原料活性成分及其功效评价，活性成分的生物合成及其功效评价。

何

洋，浙江大学生命科学院

研究领域：运用蛋白质晶体学结合生物化学与生物物理的方法进行相关研究。

        遗传多样性是进化的结果，为一种特定的生理活动提供了多种途径。本研究将这种策略引入生物工程。研究使用酪氨酸作为底物设计了两种羟基酪醇生物合成途径。研究表明，与每个单独的途径相比，当两个途径同时起作用时合成能力显着提高。研究使用定向发散进化策略工程设计黄素依赖性单加氧酶HpaBC用于酪醇羟化酶，酪胺羟化酶和对酪醇和酪胺均有活性的混杂羟化酶。然后，突变HpaBCs用于催化上文设计的羟基酪醇生物合成途径中的两个缺失步骤。

        研究结果表明，混杂的酪醇/酪胺羟化酶可以最大限度地减少蛋白质过度表达诱导的细胞代谢负担，并允许生物合成碳流分为两种途径。因此，通过重排多个途径之间的代谢通量，羟基酪醇生物合成的效率显着提高。

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Fig. 1  A network consisting of multiple pathways converting a substrate to a product using the same set of enzymes.

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Fig. 2  Design of hydroxytyrosol biosynthetic pathways 1 and 2.

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Fig. 3 Directed divergent evolution of HpaBC.

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Fig. 4 Molecular modeling of HpaB-substrate complexes.

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Fig. 5 Hydroxytyrosol biosynthesis by pathways 1 and 2.

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Fig. 6  Construction of the combined pathway and its use for hydroxytyrosol biosynthesis.

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Fig. 7 Characterization of wild-type HpaBC and mutants.

Discussion

     代谢工程通常聚焦于单条合成途径中酶的调控，唐双焱团队的该项工作展示了基于酶的混杂催化活性设计多条合成途径，通过减少细胞代谢负担并实现碳流的重排，实现羟基酪醇的高效生物合成，进一步拓展了蛋白质定向进化手段在代谢工程研究中的应用，为天然产物生物合成途径的设计构建提供了新的思路和技术依据。