科學家揭示阿卡波糖生物合成新機制

上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室教授白林泉團隊深入解析了抗糖尿病藥物阿卡波糖生物合成機制，通過有效的代謝工程策略進一步提高了阿卡波糖產量。相關研究成果近日發表于《自然—通訊》。

上海交通大學博士研究生趙芹芹為論文第一作者，白林泉為通訊作者，該文作者還包括中科院院士鄧子新和塔里木大學教授張利莉等。

阿卡波糖是α-糖苷酶抑制劑類天然產物，在臨床上作為一線藥物被廣泛用于2型糖尿病的治療，需求量大，年市場銷售額超過70億人民幣。在工業上，阿卡波糖主要通過游動放線菌發酵生產。由于生物合成路徑復雜及產生多種副產物和結構類似物，導致其產量較低和后提取工藝十分繁瑣。因此，構建高效的生產菌株，提高工業化生產水平，是目前亟待解決的關鍵問題。然而，由于大部分生物合成途徑尚不清楚，嚴重阻礙了通過代謝工程改造對產量的大幅提升。

為此，研究人員在發酵液中鑒定出兩種大量積累的來自阿卡波糖合成途徑的分流產物。通過對這些分流產物及其形成方式的系統深入研究，明確了環醇脫水酶AcbL和NADPH依賴性氧化還原酶AcbN的功能，修正了阿卡波糖的生物合成途徑。同時通過比較轉錄組分析，發現氨基脫氧己糖部分的低效生物合成是引起分流產物形成的主要原因之一。同時，研究人員以“開源截流”策略為指導，采用多種代謝工程與合成生物學手段，一方面通過多基因敲除最大限度地減少分流產物的積累，另一方面通過異源高效氨基脫氧己糖合成基因的引入來提高其合成能力，促進C7-環醇中間體的有效利用，最終使阿卡波糖產量提高了1.2倍，達到每升7.4 克。

這項研究打破了近20年來阿卡波糖生物合成機制研究的沉寂，也是首次采用分子生物學與合成生物學手段對其產生菌的系統、有效改造，為阿卡波糖的定向高產和提升該領域的國際競爭力奠定了堅實基礎。

專家表示，這項研究不但強調了分流產物在微生物藥物合成與產量提高中的重要性，還揭示了多樣的初級代謝與次級代謝的交叉對話，可以更加有效地指導微生物藥物的高產改造。該項研究展現了鄧子新團隊在井岡霉素、阿卡波糖等氨基環醇類天然產物方面的長期研究積累，高效的遺傳操作系統、井岡霉素多種代謝中間體和關鍵酶、氨基環醇合成機制假說等都是取得本項研究突破的關鍵。

據悉，該研究獲得國家自然科學基金委重點項目和聯合基金項目、國家重點研發計劃項目、上海市科委基礎研究項目等的支持。