導語：作為2024年中國國際服務貿易交易會重要組成部分之一，國家衛生健康委員會百姓健康頻道(CHTV)定於9月13日在京舉辦“2024首都國際醫學大會的平行論壇——數智醫療與醫學人工智能創新論壇”，CHTV&醫學論壇網將為您帶來AI賦能醫療的係列報道。本文將介紹大會重要嘉賓鄧子新院士的最新研究成果。

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鄧子新院士介紹

        在最開始向大家介紹一位我國合成生物學領域的著名專家——鄧子新院士，鄧院士長期從事微生物代謝的分子生物學研究，主攻放線菌遺傳學及抗生素生物合成的化學生物學研究，在合成生物學領域頗有建樹。2024首都國際醫學大會的平行論壇——數智醫療與醫學人工智能創新論壇上，鄧子新院士將做題為“合成生物學的應用場景和科創實踐”的主旨報告，為大家帶來精彩內容，敬請期待!

鄧子新院士

中國科學院院士，第三世界科學院院士，美國微生物科學院院士。現擔任上海交通大學生命科學技術學院名譽院長，微生物代謝國家重點實驗室主任。武漢大學藥學院名譽院長、學科建設委員會主任。中國微生物學會理事長,中國農業生物技術學會副理事長，國際工業微生物遺傳學組織專家委員會主席。長期從事微生物代謝的分子生物學研究，主攻放線菌遺傳學及抗生素生物合成的化學生物學研究。

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研究背景

        尿嘧啶—磷酸(UMP)衍生化學品在抗病毒藥物的合成中具有重要應用，但長期以來，其生產主要依賴於化學和酶催化策略，這些方法麵臨產率低、成本高、環境汙染等問題。因此，開發一種新的、更高效、經濟且環境友好的生產策略，已成為該領域亟待解決的挑戰。2024年3月鄧子新院士團隊在Metabolic Engineering雜誌發表了一篇題為“Developing the E. coli Platform for Efficient Production of UMP-derived Chemicals”的文章，針對此問題展開了探討。

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研究方法

        本研究是一項基於合成生物學的代謝工程研究，旨在構建一種高效的大腸杆菌(E. coli)平台，用於生產5-甲基尿苷(5-MU)等UMP衍生化學品。研究團隊通過設計人工合成途徑，利用兩酶級聯反應(UMP 5-甲基化酶和磷酸酶)實現5-MU的生物合成。研究中包括了多種策略的係統評估，如基因敲除、代謝通量調控、前體供應增加等，以提高5-MU的產量。評價指標主要包括5-MU的產量(主要指標)，以及細胞生長情況和副產物生成情況(次要指標)。整體方案設計見圖1。

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研究結果

        5-MU生物合成途徑的建立與優化

        本研究成功構建了一種人工合成途徑，通過兩酶級聯反應(PolB和PhoA)在體外實現了從UMP到5-MU的轉化。在大腸杆菌BL21(DE3)中，通過引入共表達載體pYL03，期望能夠實現5-MU的生物合成。然而，初步實驗並未觀察到5-MU的產生，卻發現胸腺嘧啶的產量顯著增加。通過深入分析，研究團隊發現5-MU或5-Me UMP可能在生物合成過程中被降解，進而鑒定出RihA、RihB、RihC、DeoA和Udp等酶可能負責5-MU的水解。通過基因敲除策略，有效地阻斷了5-MU的代謝途徑，顯著提高了5-MU的產量。

        代謝通量增強與5-MU產量提升

        研究中對UMP代謝通量進行了係統性增強，通過過表達carAB基因及敲除對其轉錄有抑製作用的基因，如PurR、ArgR和PepA，成功提升了UMP的代謝通量。此外，通過敲除ung和pgi基因，增加了細胞內NADPH的供應，從而進一步提高了5-MU的產量。這些策略的應用，使得5-MU的產量從基線水平顯著提升至550 mg/L。

        PyrH工程化改造對5-MU產量的影響

        PyrH作為UMP代謝通量的關鍵限製因素，其活性的降低理論上可以增加UMP的可用性，從而提高5-MU的產量。通過對PyrH進行位點定向突變，以及替換為其他細菌的PyrH同源物，研究團隊發現這些策略可以有效地提高5-MU的產量。特別是，通過替換為Streptomyces sp. FR-008中的PyrH同源物，5-MU的產量達到了1 g/L。

        特異性磷酸酶Pbs1的篩選與應用

        在5-MU的生物合成途徑中，5-Me UMP的去磷酸化是一個關鍵步驟。研究團隊篩選並鑒定了Bacillus phage PBS1中的pbs1基因，編碼一種對5-Me UMP具有特異性的磷酸酶。通過精細調控Pbs1的表達水平，並將其與PolB共表達，5-MU的產量得到了進一步的提升，最終達到了1.2 g/L。

        間接前體供應增加對5-MU產量的促進作用

        為了進一步提高5-MU的產量，研究團隊采取了增加UMP代謝通量的間接前體供應策略。通過敲除thrA基因及對iclR和ppc基因進行工程化改造，成功地增加了天冬氨酸的供應，進而提升了UMP的代謝通量。這些策略的應用使得5-MU的產量進一步提升至1.4 g/L。

        引入外源性pyr操縱子對5-MU產量的顯著提升

        最後，研究團隊通過在大腸杆菌中引入來自枯草杆菌的pyr操縱子，顯著提高了5-MU的產量。這一策略不僅增加了碳磷酸鹽的供應，而且通過精細的代謝平衡，使得5-MU的產量達到了3.15 g/L。

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總結

        本研究綜合應用了多種代謝工程技術，實現了從基礎研究到工業應用的跨越。通過係統地優化大腸杆菌的代謝網絡，研究不僅提高了目標產物的產量，還增強了細胞工廠的穩定性和適應性。此外，該研究還展示了如何利用合成生物學平台快速獲得多樣化的化學產品，為生物合成領域的研究提供了新的方向。

        參考文獻

        YU L, GAO Y, HE Y, et al. Coli platform for efficient production of UMP-derived chemicals[J]. Metab Eng, 2024, 83: 61-74. DOI: 10.1016/j.ymben.2024.03.004.

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        編輯：石頭

        二審：耳東

        三審：清揚

        排版：半夏