聚酮类化合物（Polyketides）是由细菌、真菌和植物产生的一大类天然产物，具有抗病毒、抗菌、抗肿瘤、代谢调节、免疫调节、抗虫等重要的生物活性，广泛地应用于医药、食品等领域。对该类化合物的异源合成研究一直是合成生物学的热点领域。这类化合物多由聚酮合酶催化生成聚酮母核，经过复杂稀有糖参与的糖基化修饰、羟基化和甲基化修饰后最终形成活性分子。例如TDP-L-碳霉糖（TDP-L-mycarose）和TDP-D-脱氧糖胺（TDP-D-desosamine）参与了聚酮模式分子红霉素（Erythromycin）的合成，稀有糖的修饰决定了其抗菌的活性。课题组之前在聚酮母核的合成生物学研究中取得了很好的进展，但活性聚酮分子的异源合成，仍是这一领域长期未能解决的问题。稀有糖基供体的合成是一个复杂的过程，涉及到的反应多、步骤长，途径较为复杂，许多酶和基因参与其中，在大肠杆菌中设计高效率的合成途径是一项难题，这是限制活性聚酮产物合成效率的关键。

在本研究中，为了改善大肠杆菌中红霉素的异源合成效率，作者对其重要糖基化中间体3-O-碳霉糖基红霉内酯 B （3-O-α-mycarosylerythronolide B，MEB）进行了研究，设计了多个工程化策略对大肠杆菌进行改造，改善稀有糖基TDP-碳霉糖的合成效率（图1）。首先，通过敲除pgi、zwf、yihX等前体葡萄糖-1-磷酸（G1P）竞争途径基因，获得的工程菌株sQC13可合成41.2 mg/L的糖基化产物MEB，是出发菌株sBAP230合成产量的9.8倍。随后，过表达葡萄糖-1-磷酸胸苷转移酶（rfbA）与dTDP-葡萄糖-4,6-脱水酶（rfbB），作者进一步将MEB的产量提高至原产量的11.5倍（48.3 mg/L）。最后，作者利用L-arabinose诱导的CRISPRi分别抑制糖酵解与TDP-L-鼠李糖合成途径，进一步提高了大肠杆菌中糖基化产物MEB合成的比产率。本研究为复杂稀有糖基修饰的活性天然产物的异源合成及其代谢工程改造提供了借鉴和平台，也为大肠杆菌中高效合成红霉素A奠定了基础。

Multi-strategy engineering unusual sugar TDP-l-mycarose biosynthesis to improve the production of 3-O-α-mycarosylerythronolide B in Escherichia coli

Zhifeng Liu, Jianlin Xu, Zhanguang Feng, 

Yong Wang

第一作者:

刘志凤:中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生

许建林:中国科学院与华东理工大学联合培养博士生

通讯作者：

王勇研究员

该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委、中国科学院先导项目的资助

课题组主要研究方向为天然产物的合成生物学：通过解析天然产物的生物合成途径，基于工程化的设计和建构，改进复杂天然产物的生物合成效率和其生产方式，开发天然的或非天然的复杂天然产物活性成分。作为项目负责人，正在主持十三五“重点研发计划合成生物学重大专项”—基于植物底盘的药用植物活性成分研究及其应用项目（2018YFA0900600）。

近些年在Nat Commun, Mol Plant, Plant Commun, Cell Res, Org Lett, Metab Eng, Biotechnol J等本领域重要国际期刊上发表论文100余篇，申请专利35项（已授10项，国际专利5项），多项基于合成生物技术的天然产物产品已实现产业化推广，推动了行业技术进步。