Jay Keasling团队重构大肠杆菌代谢途径，增强聚酮化合物产量

图|改造后的工程菌株在补充外源性丙二酸后，聚酮产量得到提升聚酮类化合物（polyketides）是一类结构复杂、功能多样的天然产物，广泛用于抗生素、抗癌药物、免疫调节剂等医药领域。近年来，随着合成生物学的快速发展，科研人员开始尝试将这些天然产物的合成路径移植至大肠杆菌等模式微生物中，力求通过微生物工厂实现绿色、高效的大规模生产。

问题在于，即使合成聚酮类物质所需的聚酮合酶（PKS）系统成功表达，细胞中的“原料”却往往并不足够。特别是其中关键的合成单元之一——丙二酰辅酶 A（malonyl-CoA, 简称 M-CoA）在大肠杆菌中更倾向于被用于脂肪酸合成，而非聚酮产物，这使得聚酮合成路径往往面临“缺乏原料”的瓶颈。

此前，研究者尝试通过抑制脂肪酸合成或增强 M-CoA 上游前体（如乙酰辅酶A）供给来提供更多 M-CoA，但这些策略往往会带来一系列副作用，比如细胞生长受损或代谢失衡。

为了寻求一种更温和、可控的替代途径，近日，美国加州大学伯克利分校 Jay Keasling 教授团队在 Nature Chemical Biology 发表了一篇题为“Engineering controllable alteration of malonyl-CoA levels to enhance polyketide production”的最新研究成果。该团队通过破坏天然 M-CoA 生物合成途径并引入由丙二酸转运蛋白和 M-CoA 连接酶组成的正交途径来解决这一限制，从而能够在补充丙二酸的情况下实现高效的 M-CoA 生物合成，最终显著提升了聚酮类化合物的产量。

研究人员首先从根瘤菌中引入两个基因：matB（编码丙二酸-CoA 连接酶）和 matC（编码丙二酸转运蛋白）。将 matB 与 matC 整合至大肠杆菌基因组后，工程菌获得了利用外源丙二酸合成 M-CoA 的能力。实验表明，在培养基中添加不同浓度的丙二酸时，菌株内 M-CoA 水平随之线性上升，实现了 M-CoA 供应的“剂量依赖性”调控。

图|改造后的工程菌株在补充外源性丙二酸后，聚酮产量得到提升

这一系统的优势不仅在于效率高，还在于与原有代谢通路相对独立，对细胞生长几乎无干扰，因而具有更强的稳定性和可工业放大的潜力。

为了验证该系统的有效性，研究人员搭建了一个简单的实验模型。他们利用一种名为 RppA 的聚酮合酶，将 M-CoA 转化为红色分子淡黄霉素（flaviolin），产量越高，颜色越深。结果表明，在补充 20 mM 丙二酸的条件下，改造菌株的 flaviolin 产量提高了约 70%，间接证明了 M-CoA 水平的大幅提升，当研究人员将这一系统与真实的工程聚酮合酶结合使用时，结果同样表现良好——M-CoA 衍生的目标产物产量可提高近 15 倍，同时副产物显著减少，表明底物利用更为精准。

在上述基础上，研究人员还进一步构建了 “完全依赖外源丙二酸合成 M-CoA” 的菌株。他们通过删除生物素合成相关基因（如 bioH），来破坏内源性 M-CoA 途径，使得细胞自身无法合成 M-CoA，从而能够在补充丙二酸的情况下实现高效的 M-CoA 生物合成。最终，研究团队成功利用 ¹³C 标记的丙二酸在改造菌株中合成了 99.8% 同位素纯度的 flaviolin，再次证明该改造后的工程菌可用于高效生产稳定标记的天然产物。

此外，尽管 matBC 系统本身已显著提升了 M-CoA 水平，研究人员仍继续利用“实验室进化”（adaptive laboratory evolution, ALE）方法，即在低浓度丙二酸环境中长期培养工程菌株，通过自然选择筛选出更具适应性和代谢效率的突变体。

经研究人员观察发现，经“实验室进化”后的突变体在基因组中积累了多种有益变异，例如调控区突变导致 matB/matC 表达增强、脂肪酸降解关键酶（如 atoB、fadI）功能缺失、糖代谢及铁代谢通路的重编程等，最终多种突变通过协同作用，最终进一步提高了 M-CoA 合成效率和目标聚酮产物产量，这说明突变体或可作为更稳定、高效的底盘菌株用于未来工业级生产。

总之，该研究从代谢通路设计、基因组重构到适应性进化，系统性地解决了合成聚酮类物质的“原料瓶颈”问题，且适用于脂肪酸衍生物、生物材料等其它高值化学品的生物制造，有望推动聚酮类等天然产物由实验室研究向产业化转化迈出关键一步。

参考文献：

1. Klass, S.H., Wesselkamper, M., Cowan, A.E. et al. Engineering controllable alteration of malonyl-CoA levels to enhance polyketide production. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-01911-6

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