近日，中國科學院大連化學物理研究所生物技術部生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化研究組（1816組）趙宗保研究員團隊在微生物能量代謝控制研究方面取得新進展，成功將無機化能傳遞給一種可與生物相容的能量載體，并實現(xiàn)了對細胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑的選擇性驅(qū)動，相關研究成果發(fā)表在ACS Catalysis上（DOI: 10.1021/acscatal.6b03579）。
大連化物所能量代謝控制研究取得新進展
能量代謝是生命活動的基本特征之一，需要能量載體（輔酶）介導。天然能量載體如還原型吡啶核苷酸輔酶（Nicotinamide adenosine dinucleotide，NADH），由于可參與眾多代謝反應和其它生物過程，使能量代謝調(diào)控存在選擇性差、生物學效應可預見性低等突出問題。因此，該研究團隊提出基于非天然輔酶的能量代謝控制策略。前期工作中，設計合成了非天然輔酶煙酰胺胞嘧啶二核苷酸（Nicotinamide cytosine dinucleotide，NCD），改造了氧化還原酶的輔酶結合口袋，篩選得到非天然輔酶偏好型的突變酶；體外實驗表明，突變酶可保持與野生酶相當?shù)拇呋?、底?span>/產(chǎn)物選擇性等催化性能，從而創(chuàng)建了生物正交的氧化還原催化體系（J. Am. Chem. Soc.,2011,133,20857）。
本研究中，研究團隊成功改造并獲得了NCD偏好型亞磷酸脫氫酶突變體Pdh*，以用于催化氧化亞磷酸鹽高效產(chǎn)生還原型非天然輔酶NCDH；設計了一系列體外多酶催化體系，發(fā)現(xiàn)NCDH介導的反應獨立于其它依賴天然輔酶的反應，即具有選擇性能量傳遞的特性。以大腸桿菌為宿主，采用基因工程手段過表達Pdh*、NCD偏好型蘋果酸酶突變體Mae*和核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白Ndt，所得工程菌在亞磷酸鹽、葡萄糖和催化量NCD存在下孵育，蘋果酸產(chǎn)量和得率比不添加NCD的體系均有顯著提高；而不表達Ndt的工程菌，體系中添加NCD對蘋果酸積累無明顯影響。結果說明，工程菌攝取NCD，利用亞磷酸鹽為能量源，產(chǎn)生NCDH，選擇性驅(qū)動Mae*催化的丙酮酸還原羧化反應合成蘋果酸。該研究成果為開展基于非天然輔酶的化學生物學和合成生物學研究提供了科學依據(jù)。
上述工作得到科技部“973計劃”、國家自然科學基金和催化基礎國家重點實驗室的資助。
