焦點(diǎn)！青島能源所解析米卡芬凈前體合成機(jī)制

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3月10日，科技日?qǐng)?bào)記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所(以下簡(jiǎn)稱“青島能源所”)獲悉，該所研究團(tuán)隊(duì)解析了環(huán)脂肽類(lèi)天然產(chǎn)物FR901379的完整生物合成途徑和調(diào)控機(jī)制，尤其是詳細(xì)闡明了磺酰化形成機(jī)制，在此基礎(chǔ)上通過(guò)代謝工程改造，顯著提高了工業(yè)菌株的發(fā)酵性能，并基于磺酰化模塊創(chuàng)制了水溶性提高數(shù)千倍的新型磺酰化棘白菌素類(lèi)化合物。相關(guān)成果發(fā)表于《代謝工程》和《微生物細(xì)胞工廠》。

棘白菌素類(lèi)抗真菌藥物是治療深部真菌感染的一線臨床用藥，其中米卡芬凈因存在天然磺酰化修飾具有很好的水溶性。棘腔孢霉發(fā)酵生產(chǎn)的環(huán)脂肽類(lèi)天然產(chǎn)物FR901379是米卡芬凈工業(yè)生產(chǎn)的前體化合物，其發(fā)酵效率低使得米卡芬凈生產(chǎn)成本居高不下，限制了米卡芬凈的市場(chǎng)應(yīng)用。解析FR901379生物合成機(jī)制，開(kāi)展工業(yè)菌株理性改造是提高米卡芬凈生產(chǎn)效率的重要研究方向。

FR901379合成調(diào)控機(jī)制解析及其應(yīng)用。黃雪年?門(mén)萍制圖

研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)FR901379合成基因簇進(jìn)行了生物信息學(xué)預(yù)測(cè)，通過(guò)基因敲除進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證并提出FR901379環(huán)脂肽骨架的生物合成途徑;利用HMMER構(gòu)建隱馬爾可夫模型預(yù)測(cè)同源基因，并結(jié)合差異轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選可能負(fù)責(zé)氧磺酰基基團(tuán)合成的候選基因。體內(nèi)敲除和體外酶活結(jié)果表明，氧磺酰化修飾是由細(xì)胞色素P450酶McfP和磺酰基轉(zhuǎn)移酶McfS在環(huán)脂肽后修飾階段完成的。

闡明FR901379生物合成機(jī)制后，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)棘腔孢霉發(fā)酵過(guò)程中存在產(chǎn)量低、副產(chǎn)物難分離等問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)的工業(yè)菌株理性改造研究，使FR901379合成途徑全面上調(diào)，搖瓶產(chǎn)量也提高了3倍。為了減少因氧化不充分導(dǎo)致的中間產(chǎn)物積累，團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵的后修飾限速酶McfF和McfH進(jìn)行過(guò)表達(dá)，合成途徑優(yōu)化后副產(chǎn)物含量減少80%以上，產(chǎn)量也進(jìn)一步顯著提高，最終在5L發(fā)酵罐中產(chǎn)量達(dá)到4.0g/L，高于現(xiàn)有工業(yè)水平。

磺酰基基團(tuán)能夠增加化合物的水溶性，進(jìn)而增加藥物的生物利用度，為了創(chuàng)制更多的磺酰化棘白菌素類(lèi)化合物，研究團(tuán)隊(duì)將磺酰化模塊在抗真菌藥物卡泊芬凈前體(紐莫康定B0)生產(chǎn)菌株中進(jìn)行了異源重構(gòu)，成功獲得了氧磺酰化紐莫康定B0，其水溶性提高了4000多倍，該研究為創(chuàng)制更多磺酰化棘白菌素類(lèi)化合物提供了酶學(xué)元件和可行性驗(yàn)證。

該研究完整解析了FR901379的生物合成機(jī)制，在此基礎(chǔ)上對(duì)FR901379合成途徑的適配性進(jìn)行了優(yōu)化，并創(chuàng)制了水溶性的新型磺酰化棘白菌素類(lèi)化合物，為米卡芬凈生產(chǎn)工藝提質(zhì)增效奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為藥物水溶性提高提供了新思路。

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