Metabolic Engineering｜构建金属编程光-生物杂合体系，驱动黄酮木脂素从头合成

黄酮木脂素 是一类具有重要药理活性的植物天然产物，以水飞 蓟 素（ silymarin ）为代表，具有保肝、抗氧化、抗炎和抗癌等多种功效， 其 已有超过两千年的药用历史。然而，目前水飞 蓟 素的生产主要依赖植物提取，其复杂的化学结构和多手性中心使得化学全合成极具挑战性，酶法合成也难以在体外重现 其 全部天然产物谱。如何实现水飞 蓟 素类化合物的高效、可持续生产， 仍 是该领域长期未解决的关键问题。

近日，由中国科学院深圳先进技术研究院 定量合成生物学全国重点实验室 / 合成生物学研究所 Howard H. Chou 正高级工程师领衔的研究团队，在 Metabolic Engineering 期刊发表 了题为Metal ions programflavonolignanbiosynthesis and enable photo-biohybridproduction的 研究成果。他们发现，水飞 蓟 类 黄酮木脂素 可以在体外通过非酶的、金属调控的光催化途径进行组装。该光催化体系能够从天然底物花旗松素（ taxifol in ）和松柏醇（ coniferyl alcohol ）出发，生成水飞 蓟 素中的 六种 主要 黄酮木脂素 ， 其中 包括此前酶法 一直 无法合成的 silychristin 类化合物。研究进一步揭示， Fe³ ⁺ 和 Al³ ⁺ 等金属离子可作为 “ 程序性开关 ” 精确调控自由基偶联的区域选择性， 进而 决定产物的骨架类型。 该研究 将这种非生物光化学过程与工程化酿酒酵母的胞内代谢相结合，构建了 “ 光 - 生物杂合 ” （ photo- biohybrid ）生产平台，实现了从葡萄糖直接从头合成水飞 蓟 素类 黄酮木脂素 ，为天然产物的可持续生产和新结构类似物的发现开辟了全新路径。

黄酮木脂素 由类黄酮和苯丙烷类前体通过氧化偶联形成。长期以来，学术界普遍认为这类化合物 的合成依赖酶 介 导的自由基偶联过程，类似于木质素的生物合成模式。早期仿生研究证实，过氧化物可催化花旗松素与松柏 醇 生成类似 黄酮木脂素 的产物，因此过氧化物酶和漆酶被认为参与了 黄酮木脂素 的组装。

然而， 随着研究深入， 越来越多的证据表明，水飞 蓟 中的 黄酮木脂素 生物合成受到严格的遗传调控。基因同质的植物在不同环境条件下表现出稳定的化学表型，且不同化学表型之间的杂交后代呈现中间态的 黄酮木脂素 组成， 这些现象 提示终末偶联反应可能受 “ 导向蛋白 ” （ dirigent proteins ）等因子的酶学调控，而非简单的随机自由基偶联。但 迄今为止，尚无 任何 报道的酶学体系能够在体外重现水飞 蓟 中全部天然 黄酮木脂素 谱，特别是 silychristin 类化合物。

基于此，研究团队提出了一个颠覆性的科学假设： 黄酮木脂素 的合成是否可以不依赖酶催化，而通过非生物的化学路径完成？光化学能否驱动自由基产生并引导偶联反应的发生？本研究正是围绕这一假设展开探索。

为验证上述假设，研究团队首先测试了不同光源对花旗松素与松柏 醇 偶联反应的影响。结果发现，太阳光或 UVA 照射能够生成水飞 蓟 中检测到的七种主要 黄酮木脂素 ，而 UVB 和 UVC 主要导致底物降解。加入天然四吡咯光敏剂原卟啉 I X （ PPIX ）后，偶联效率显著提升，生成的 产物谱与天然 水飞 蓟 种子中的 黄酮木脂素 组成高度相似，且 在体外合成了 silychristin 类化合物。

研究团队进一步筛选了不同金属离子对光催化反应的影响，发现 Fe³ ⁺ 和 Al³ ⁺ 能显著改变产物分布 —— 在 Al³ ⁺ 作用下， silychristin 类产物的占比可高达总 黄酮木脂素 的 84% 。而 Mn² ⁺ 则主要提高总产量而不改变产物选择性。通过光谱分析和 EDTA 螯 合实验，团队证实了这种区域选择性的分子机制： Fe³ ⁺ 或 Al³ ⁺ 与花旗 松素邻二酚 羟基发生配位，从空间和电子两方面限制了 原本生成 silybin 类产物的反应路径，转而引导自由基攻击相邻碳位点，最终构建 silychristin 的特有骨架。

在 阐明非 生物光化学机制后，团队将目光转向 了 与微生物代谢的整合。他们通过系统的代谢工程改造，在酿酒酵母中逐步构建了 花旗松素合成 途径、松柏 醇 合成途径，并引入植物来源的 HCT-C3H 分流途径以优化前体供应平衡。经多轮优化后，最终获得的菌株能够同时生产 花旗松素和 松柏醇，实现了两种前体的近等摩尔供给。在此基础上，团队进一步过表达酵母内源和 异源 血红素途径基因，使该菌株同时具备原位合成光敏剂 PPIX 的能力 。将这一工程菌株（ ySM93 ）的发酵液补加金属离子后直接进行光照，成功实现了从葡萄糖到水飞 蓟 素 黄酮木脂素 的 “ 一锅法 ” 从头合成，无需中间产物的分离纯化。不同金属离子在发酵体系中也重现了与体外一致的调控规律： Mn² ⁺ 提升总产量， Fe³ ⁺ 和 Al³ ⁺ 富集 silychristin 。

图 . 本研究对酿酒酵母进行工程化改造，使 其共表达 松柏醇、 花旗松素及 原卟啉 IX （ PPIX ）的生物合成模块。通过 过 表达酵母内源基因（黑色标注）及异源植物或微生物基因（红色标注），提高前体与光敏剂合成途径的代谢通量。发酵培养物经光照后，原位生成的光敏剂 PPIX 驱动花旗松素与松柏 醇 发生光催化偶联反应，从而实现水飞 蓟 素类 黄酮木脂素 的从头合成 。

此外，团队还将这一策略推广到非天然底物体系： 用秦皮 素（ esculetin ）替代花旗 松素进行 光催化偶联，成功合成了三种此前未见报道的类黄酮 木脂素新 类似物（ QS-4 、 QS-9A 、 QS-9B ），同样实现了金属调控的区域选择性，证明了该方法的普适性和扩展潜力。

本研究的主要发现在于： 黄酮木脂素 的生物合成并非只能依赖酶催化，还存在一条由金属离子调控的非生物光化学路径。 Fe³ ⁺ 、 Al³ ⁺ 和 Mn² ⁺ 三种金属离子对反应产物的产量和区域选择性表现出 “ 分工明确 ” 的调控作用 —— 其中 Al³ ⁺ 充当区域选择性 “ 向导 ” ， Mn² ⁺ 作为催 化效率 “ 增强剂 ” ， Fe³ ⁺ 则兼具双重功能。该研究 实现了 6 种 水飞 蓟 素类天然产物的 体外合成 ，也为通过改变酚类底物和金属离子组合来合成自然界不存在的黄酮 木脂素新 类似物提供了通用平台，有望加速药物先导化合物的发现和开发。

中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室 / 合成生物学研究所 Howard H. Chou 正高级工程师 为本文的通讯作者， 课题组原 助理研究员 杨加增 为 本文的 第一作者 ，中国科学院深圳先进技术研究院为本文第一完成单位 。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717626001011?via%3Dihub

制版人：十一

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