PLOS Biol︱江会锋团队构建人工磷酸转酮酶途径实现C1-C6碳源高效转化为乙酰辅酶A

撰文︱刘玉万，杨一群

审阅︱江会锋

责编︱王思珍

生物制造是以生物质等为原料，以菌种为工具工业化生产人类需要的食品、药品、化学品、材料、能源的绿色低碳生产方式，是推动新兴生物经济发展的重大战略方向。据预测，全球60%的产品可以用生物制造生产，有望创造30万亿美元的经济价值。在整个生物制造成本中，原料成本占了将近一半，因此提高产物的碳得率一直是生物制造的核心科技问题[1，2]。

乙酰辅酶A既细胞生命中能量与物质代谢的枢纽，又是绝大多数生物制造产品的前体，在生命代谢网络中发挥举足轻重的作用[3]。自然糖降解途径通过10步生化反应将葡萄糖转化为丙酮酸，丙酮酸再经过脱羧转化为乙酰辅酶A，该过程损失一分子二氧化碳。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所江会锋团队在PLoS Biology上发表了题为“Construction of an artificial phosphoketolase pathway that efficiently catabolizes multiple carbon sources to acetyl-CoA”的研究。该研究基于磷酸转酮酶（PK）新功能构建了人工磷酸转酮酶路径（APK）。通过酶功能筛选和改造，体外实现了C1-C6碳源无碳损的转化为乙酰辅酶A，为生物制造提高产品碳得率提供了新思路。

近年来，大量的代谢工程策略用于提高乙酰辅酶A及衍生物的碳得率，但由于糖降解等自然路径的缺陷，效果不佳[4，5]。在这项研究中，研究者根据磷酸转酮酶催化机理，推测磷酸转酮酶有可能催化各种酮糖分子，结合现有酶，可以构建能够将各种碳源完全转化为乙酰辅酶A的人工磷酸转酮酶途径（APK）（图1）。

图1 人工磷酸转酮酶(APK)途径设计思路

为了实现上述设想，研究者首先筛选不同来源的磷酸转酮酶（PK）。通过构建进化树、蛋白表达与纯化，最后证实7个不同物种来源的磷酸转酮酶（PK）不仅对自然底物果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸有活性，而且对羟基乙醛、1,3-二羟基丙酮和D/L-赤藓酮糖都具有活性（图2）。通过量化计算分析，研究者解析了磷酸转酮酶催化底物多样性机理，证实了底物与磷酸转酮酶结合后发生分子内质子转移过程。为了提高磷酸转酮酶对短链酮糖底物的活性，研究者采用定向进化方法分别将对底物羟基乙醛、1,3-二羟基丙酮、D-赤藓酮糖的活性提高了8.5倍，5倍和3.6倍。对于C1-C4碳源，人工磷酸转酮酶途径核心酶仅仅需要磷酸转酮酶和聚糖酶（FLS）,对于C5碳源木糖和C6 碳源葡萄糖而言，还需要筛选对赤藓糖-4-磷酸（E4P）和磷酸-1,3二羟基丙酮（DHAP）特异性好的磷酸水解酶。通过筛选不同来源的磷酸水解酶，最终获得了对E4P特异性最好的EcHAD和对DHAP特异性最好的CpHAD。在获得所有的途径酶蛋白元件之后，研究者在体外组装了C1-C6碳源利用的人工磷酸转酮酶途径，结果表明，人工磷酸转酮酶途径几乎无碳损的将C1-C6碳源转化为乙酰辅酶A。同时，研究者还证实了大肠杆菌可以通过人工磷酸转酮酶途径利用甘油作为碳源进行生长。

图2 磷酸转酮酶（PK）的筛选

图3 人工磷酸转酮酶途径示意图

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，本研究以磷酸转酮酶（PK）为核心，设计并实现了C1-C6碳源转化为乙酰辅酶A的人工磷酸转酮酶途径（APK），该途径仅仅需要3个核心酶就能够将C1-C6碳源完全转化为乙酰辅酶A（图3）。人工磷酸转酮酶（APK）途径突破了生物体自然进化局限，具有化学驱动力大、路线短、无需厌氧条件、没有碳损失等优点，不仅为探索早期地球生命起源提供借鉴，也有望在未来工业生物制造中发挥作用，具有重大的科学意义和实用价值。但目前磷酸转酮酶（PK）对于短链酮糖的催化活性依旧较低，人工磷酸转酮酶（APK）途径的整体运行速率不高，因此难以直接应用于生物制造。未来将继续通过酶工程改造提升磷酸转酮酶（PK）对于短链酮糖的活性，实现人工磷酸转酮酶途径（APK）在生物制造中的应用。

原文链接： https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002285

中国科学院天津工业生物技术研究所博士研究生杨一群，副研究员刘玉万、博士研究生赵浩东和博士后刘丁玉为该文共同第一作者，中国科学院天津工业生物技术研究所江会锋研究员，马延和研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等科技项目的资助。

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参考文献 

1 Bogorad, I. W., Lin, T. S. & Liao, J. C. Synthetic non-oxidative glycolysis enables complete carbon conservation. Nature 502, 693-697 (2013).

2 Zhang, J. et al. Hybrid synthesis of polyhydroxybutyrate bioplastics from carbon dioxide. Green Chemistry 25, 3247-3255 (2023).3 Lu, X. et al. Constructing a synthetic pathway for acetyl-coenzyme A from one-carbon through enzyme design. Nature communications 10, 1378 (2019).4 Bailey, J. E. Toward a science of metabolic engineering. Science 252, 1668-1675 (1991).5 Meadows, A. L. et al. Rewriting yeast central carbon metabolism for industrial isoprenoid production. Nature 537, 694-697 (2016).
本文完