江南大学改造大肠杆菌，实现麦角硫因的高效生物合成

作为一种含硫组氨酸衍生物，麦角硫因（ERG）因其独特的化学结构和生物活性，在食品、化妆品和医药行业中得到了越来越多的应用，如作为食品抗氧化剂、护肤品成分以及神经退行性疾病的潜在治疗剂等。

研究表明，麦角硫因具有强大的抗氧化能力，能够有效抵御自由基的侵害，从而保护细胞免受氧化损伤。与常见的抗氧化剂如维生素 C 和维生素 E 相比，麦角硫因在生理 pH 下主要以更稳定的硫酮形式存在，这使得它在抗氧化过程中表现出更高的活性和稳定性。此外，麦角硫因还具有金属螯合能力，能够与重金属离子结合，从而减少它们在体内的毒性作用。

然而，麦角硫因的天然来源相对有限，主要存在于某些真菌、细菌以及少量植物中。传统的化学合成方法不仅成本高昂，且易产生大量的废弃物，对环境造成负担。相比之下，利用微生物细胞工厂进行生物合成是一种更为可持续的策略。

近日，江南大学生物工程学院罗玮团队在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上发表了一篇题为”Enhancing Ergothioneine Production by Combined Protein and Metabolic Engineering Strategies”的研究，研究人员通过蛋白质工程和代谢工程相结合的策略，在大肠杆菌中实现了麦角硫因的从头合成，并显著提高了其产量，在 5 L 生物反应器中通过补料分批发酵产量达到 2331.58 mg/L。

为了实现麦角硫因的高效生产，研究人员首先选择了大肠杆菌作为宿主菌，其具有培养周期短、异源蛋白表达快速和遗传背景清晰等优势，非常适合工业化生产。随后，研究人员从木霉中提取了麦角硫因合成基因 Tr1 和 Tr2 （分别对应 Egt1 和 Egt2），并在大肠杆菌中实现了异源表达。然而结果表明，Tr1 和 Tr2 的表达并不理想，严重限制了麦角硫因的产量。

为了解决这一问题，研究团队采用了蛋白质工程和代谢工程的策略。他们通过在关键基因上添加溶性标签和进行基因截短，成功地提高了蛋白质的可溶性表达，从而显著提升了麦角硫因的产量。

具体来说，研究人员选择了多种短的蛋白质标签（如 NT11、TrxA、DsbA、DsbC、DsbG 和 GST），并将这些标签融合到关键酶 Tr1 和 Tr2 的 N 端。经过多次实验，他们发现将 DsbA 标签融合到 Tr1 的 N 端时，麦角硫因的产量最高，达到 139.46 mg/L。此外，研究人员通过预测 Tr2 的结构域并进行截短，进一步优化了 Tr2 的表达。最终通过 DsbA-Tr1-Tr21−464AA 的组合，酶的可溶性表达得到显著提高，麦角硫因的产量也达到了 201.27 mg/L，比初始菌株提高了 198.05%。

除了蛋白质工程，研究团队还对大肠杆菌的代谢途径进行了优化。麦角硫因的合成需要三种前体氨基酸：L-半胱氨酸、L-甲硫氨酸和 L-组氨酸。这些前体的供应不足是限制麦角硫因合成的主要瓶颈之一。为此，研究人员通过基因敲除和过表达等手段优化了宿主菌的代谢途径。如敲除编码 L-丝氨酸脱氨酶的 sdaA 基因，从而增加了 L-半胱氨酸的供应，进而提高了麦角硫因的产量。此外，他们还优化了 L-半胱氨酸合成途径中的关键基因 cysE 和 cysM 的表达，通过引入抗反馈抑制突变和优化基因拷贝数，进一步提高了麦角硫因的合成效率。

最终，通过上述蛋白质工程和代谢工程的组合优化，研究团队成功构建了高效生产麦角硫因的工程菌株 E25。

在摇瓶培养中，E25 的麦角硫因产量达到 430.9 mg/L；在 5 L 生物反应器中进行补料分批发酵时，产量更是高达 2331.58 mg/L，展现出巨大的工业化生产潜力。

总之，麦角硫因作为一种极具潜力的天然抗氧化剂，其生物合成研究展示了蛋白质工程和代谢工程的强大能力。随着技术的不断进步，相信麦角硫因的生产成本将进一步降低，为其在食品、医药和化妆品等领域因的工业化生产奠定坚实基础。

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.5c01267

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