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李健團(tuán)隊(duì)在無(wú)細(xì)胞生物合成天然產(chǎn)物方面取得新進(jìn)展

時(shí)間：2023-05-18 來源：瀏覽：

李健團(tuán)隊(duì)在無(wú)細(xì)胞生物合成天然產(chǎn)物方面取得新進(jìn)展

陳伊琳生物基能源與材料

生物基能源與材料

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近日， 上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李健課題組 在 無(wú)細(xì)胞生物合成天然產(chǎn)物方面取得新進(jìn)展 ，相關(guān)成果發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)ACS Synthetic Biology期刊，該成果入選ACS Editors’ Choice亮點(diǎn)文章，并作為頭條新聞在美國(guó)化學(xué)會(huì)網(wǎng)站報(bào)道。

ACS Editors’ Choice是由美國(guó)化學(xué)會(huì)（ACS）期刊編輯挑選出的在相關(guān)研究領(lǐng)域具有重要影響力的論文。 ACS每年從旗下所有期刊發(fā)表的數(shù)萬(wàn)篇論文中選取365篇作為每日推薦論文，入選率不到1%。

研究論文在美國(guó)化學(xué)會(huì)網(wǎng)站予以亮點(diǎn)報(bào)道

近年來， 李健課題組致力于無(wú)細(xì)胞合成生物學(xué)研究，主要方向之一是 無(wú)細(xì)胞生物合成高價(jià)值天然產(chǎn)物 （Current Opinion in Microbiology, 2022） 。已實(shí)現(xiàn)多種天然產(chǎn)物的體外生物合成，如非核糖體多肽類抗生素纈氨霉素（Metabolic Engineering, 2020）、茶氨酸（ACS Synthetic Biology, 2021）以及農(nóng)業(yè)除草劑thaxtomin A的前體化合物L(fēng)-4-硝基色氨酸（Synthetic and Systems Biotechnology, 2022）等。

含有末端炔基的化合物能夠發(fā)生“點(diǎn)擊”化學(xué)反應(yīng)，可用于藥物發(fā)現(xiàn)、蛋白質(zhì)譜分析、生物正交反應(yīng)以及構(gòu)建生物探針等，具有重要應(yīng)用價(jià)值。本研究選取含有末端炔基等特殊功能基團(tuán)的非天然氨基酸為研究對(duì)象，探索無(wú)細(xì)胞合成生物學(xué)在該類化合物合成領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用潛力。

基于已報(bào)道的 β-乙炔基絲氨酸 的生物合成途徑，通過催化起始底物賴氨酸有望實(shí)現(xiàn)多種賴氨酸衍生物的合成，獲得終產(chǎn)物β-乙炔基絲氨酸。但參與第三步催化反應(yīng)的酶蛋白（BesB，裂解酶）無(wú)法實(shí)現(xiàn)體內(nèi)異源可溶表達(dá)，只能選用BesB的同工酶作為替代。針對(duì)這一棘手問題，課題組采用了無(wú)細(xì)胞體系的解決策略。

利用基于大腸桿菌的無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)體系，研究人員對(duì)BesB進(jìn)行了表達(dá)和優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了BesB的體外可溶性表達(dá)。對(duì)BesB和其他四個(gè)相關(guān)蛋白在無(wú)細(xì)胞體系中的催化活性進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)每個(gè)酶蛋白在無(wú)需純化的情況下都可在反應(yīng)體系內(nèi)直接進(jìn)行相應(yīng)的催化反應(yīng)。

通過單步或組合酶催化，最終實(shí)現(xiàn)了 不同賴氨酸衍生物的體外生物合成 ，包括4-氯-賴氨酸、4-氯-烯丙基-甘氨酸以及炔丙基甘氨酸等非天然氨基酸，也合成了目標(biāo)終產(chǎn)物γ-谷氨酰-β-乙炔基絲氨酸（一種帶有炔基的二肽類化合物）。

值得一提的是，本研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌體內(nèi)的一種內(nèi)源蛋白羧酸胺連接酶（YbdK）與該合成途徑中的酶蛋白BesA具有同工作用，亦可催化炔丙基甘氨酸與谷氨酸的縮合反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物γ-谷氨酰-炔丙基甘氨酸。

五步酶催化反應(yīng)途徑及無(wú)細(xì)胞生物合成工作流程

該工作進(jìn)一步證明了 無(wú)細(xì)胞體系在合成天然產(chǎn)物方面的優(yōu)勢(shì) ，一是無(wú)細(xì)胞體系對(duì)表達(dá)體內(nèi)難溶蛋白的突出能力，實(shí)現(xiàn)了BesB的體外可溶表達(dá)（體內(nèi)異源表達(dá)時(shí)BesB完全不可溶）；二是擴(kuò)充了無(wú)細(xì)胞體系表達(dá)天然產(chǎn)物合成酶蛋白的范圍（如鹵化酶BesD等）；三是拓展了無(wú)細(xì)胞生物合成天然產(chǎn)物的種類，如含有末端炔基的非天然氨基酸等。隨著無(wú)細(xì)胞生物技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)細(xì)胞體系將為天然產(chǎn)物研究提供新的思路與契機(jī)，在構(gòu)建高效、高產(chǎn)的天然產(chǎn)物體外生物合成平臺(tái)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2020級(jí)碩士研究生陳伊琳為論文第一作者，李健教授為通訊作者，上海科技大學(xué)為唯一完成單位。

論文標(biāo)題：

Cell-Free Biosynthesis of Lysine-Derived Unnatural Amino Acids with Chloro, Alkene, and Alkyne Groups

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssynbio.3c00132

來源：上?？萍即髮W(xué)

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