绿色革命：合成生物学如何重塑抗病毒药物生产

导语：作为2024年中国国际服务贸易交易会重要组成部分之一，国家卫生健康委员会百姓健康频道（CHTV）定于9月13日在京举办“2024首都国际医学大会的平行论坛——数智医疗与医学人工智能创新论坛”，CHTV&医学论坛网将为您带来AI赋能医疗的系列报道。本文将介绍大会重要嘉宾邓子新院士的最新研究成果。

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邓子新院士介绍

在最开始向大家介绍一位我国合成生物学领域的著名专家——邓子新院士，邓院士长期从事微生物代谢的分子生物学研究，主攻放线菌遗传学及抗生素生物合成的化学生物学研究，在合成生物学领域颇有建树。2024首都国际医学大会的平行论坛——数智医疗与医学人工智能创新论坛上，邓子新院士将做题为“合成生物学的应用场景和科创实践”的主旨报告，为大家带来精彩内容，敬请期待！

邓子新院士

中国科学院院士，第三世界科学院院士，美国微生物科学院院士。现担任上海交通大学生命科学技术学院名誉院长，微生物代谢国家重点实验室主任。武汉大学药学院名誉院长、学科建设委员会主任。中国微生物学会理事长,中国农业生物技术学会副理事长，国际工业微生物遗传学组织专家委员会主席。长期从事微生物代谢的分子生物学研究，主攻放线菌遗传学及抗生素生物合成的化学生物学研究。

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研究背景

尿嘧啶—磷酸（UMP）衍生化学品在抗病毒药物的合成中具有重要应用，但长期以来，其生产主要依赖于化学和酶催化策略，这些方法面临产率低、成本高、环境污染等问题。因此，开发一种新的、更高效、经济且环境友好的生产策略，已成为该领域亟待解决的挑战。2024年3月邓子新院士团队在Metabolic Engineering杂志发表了一篇题为“Developing the E. coli Platform for Efficient Production of UMP-derived Chemicals”的文章，针对此问题展开了探讨。

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研究方法

本研究是一项基于合成生物学的代谢工程研究，旨在构建一种高效的大肠杆菌（E. coli）平台，用于生产5-甲基尿苷（5-MU）等UMP衍生化学品。研究团队通过设计人工合成途径，利用两酶级联反应（UMP 5-甲基化酶和磷酸酶）实现5-MU的生物合成。研究中包括了多种策略的系统评估，如基因敲除、代谢通量调控、前体供应增加等，以提高5-MU的产量。评价指标主要包括5-MU的产量（主要指标），以及细胞生长情况和副产物生成情况（次要指标）。整体方案设计见图1。

注：a.5-MU及其相关化合物（包括抗艾滋病的NRTIs）的化学结构。b.本文中描述的UMP及UMP衍生化学品的化学结构；c.UMP衍生化学品的生物合成途径示意图及大肠杆菌工程化的方案。

图1 5-MU相关/UMP衍生化合物的结构以及工程化大肠杆菌菌株构建的整体方案

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研究结果

5-MU生物合成途径的建立与优化

本研究成功构建了一种人工合成途径，通过两酶级联反应（PolB和PhoA）在体外实现了从UMP到5-MU的转化。在大肠杆菌BL21（DE3）中，通过引入共表达载体pYL03，期望能够实现5-MU的生物合成。然而，初步实验并未观察到5-MU的产生，却发现胸腺嘧啶的产量显著增加。通过深入分析，研究团队发现5-MU或5-Me UMP可能在生物合成过程中被降解，进而鉴定出RihA、RihB、RihC、DeoA和Udp等酶可能负责5-MU的水解。通过基因敲除策略，有效地阻断了5-MU的代谢途径，显著提高了5-MU的产量。

代谢通量增强与5-MU产量提升

研究中对UMP代谢通量进行了系统性增强，通过过表达carAB基因及敲除对其转录有抑制作用的基因，如PurR、ArgR和PepA，成功提升了UMP的代谢通量。此外，通过敲除ung和pgi基因，增加了细胞内NADPH的供应，从而进一步提高了5-MU的产量。这些策略的应用，使得5-MU的产量从基线水平显著提升至550 mg/L。

PyrH工程化改造对5-MU产量的影响

PyrH作为UMP代谢通量的关键限制因素，其活性的降低理论上可以增加UMP的可用性，从而提高5-MU的产量。通过对PyrH进行位点定向突变，以及替换为其他细菌的PyrH同源物，研究团队发现这些策略可以有效地提高5-MU的产量。特别是，通过替换为Streptomyces sp. FR-008中的PyrH同源物，5-MU的产量达到了1 g/L。

特异性磷酸酶Pbs1的筛选与应用

在5-MU的生物合成途径中，5-Me UMP的去磷酸化是一个关键步骤。研究团队筛选并鉴定了Bacillus phage PBS1中的pbs1基因，编码一种对5-Me UMP具有特异性的磷酸酶。通过精细调控Pbs1的表达水平，并将其与PolB共表达，5-MU的产量得到了进一步的提升，最终达到了1.2 g/L。

间接前体供应增加对5-MU产量的促进作用

为了进一步提高5-MU的产量，研究团队采取了增加UMP代谢通量的间接前体供应策略。通过敲除thrA基因及对iclR和ppc基因进行工程化改造，成功地增加了天冬氨酸的供应，进而提升了UMP的代谢通量。这些策略的应用使得5-MU的产量进一步提升至1.4 g/L。

引入外源性pyr操纵子对5-MU产量的显著提升

最后，研究团队通过在大肠杆菌中引入来自枯草杆菌的pyr操纵子，显著提高了5-MU的产量。这一策略不仅增加了碳磷酸盐的供应，而且通过精细的代谢平衡，使得5-MU的产量达到了3.15 g/L。

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总结

本研究综合应用了多种代谢工程技术，实现了从基础研究到工业应用的跨越。通过系统地优化大肠杆菌的代谢网络，研究不仅提高了目标产物的产量，还增强了细胞工厂的稳定性和适应性。此外，该研究还展示了如何利用合成生物学平台快速获得多样化的化学产品，为生物合成领域的研究提供了新的方向。

参考文献

YU L, GAO Y, HE Y, et al. Coli platform for efficient production of UMP-derived chemicals[J]. Metab Eng, 2024, 83: 61-74. DOI: 10.1016/j.ymben.2024.03.004.

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编辑：石头

二审：耳东

三审：清扬

排版：半夏