在生物体中，大量氧化还原反应通过天然的辅酶因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （NADP）获取电子。但是，这种人工辅酶因子NMN只能被工程改造后的目标代谢途径识别，而不能被天然氧化还原反应利用，犹如一根绝缘的输电线将电源和目的地直接相连。不仅如此，这种人工辅酶因子还可以介导糖酵解途径，为细胞生长提供碳源，进一步证明了这套系统在体内具有高效率，好比一根大功率高压输电线，可以胜任高通量电子传递。这套体系将为实现代谢路线在工程菌中的正交化提供有力支持。
图1 吡啶核苷酸辅酶NAD（P）可认为由单磷酸腺苷（AMP）和烟酰胺单核苷酸（NMN）两部分组成， 其中 NMN参与电子传递， 而AMP部分参与分子识别， 对辅因子特异性有重要影响。
研究人员首先通过对烟酰胺辅酶结合规律的研究，借助计算机辅助设计，实现了葡萄糖脱氢酶 （glucose dehydrogenase from Bacillussubtilis） 对辅酶的利用从特异性依赖NAD（P），到对NMN兼容，再到对NMN特异性依赖的改造。通过将可识别人工辅酶因子NMN的突变型葡萄糖脱氢酶与各种氧化还原酶偶联，证明NMN在体外生物转化过程中可以支持多种酶促反应，包括C = C双键，C≡C三键和硝基的还原反应以及为细胞色素酶P450提供电子。其中，对C = C双键的高还原效率和稳定性可达到以应用为目的的工业酶标准。
图2 在大肠杆菌细胞中同时表达三条相互竞争的代谢途径时，通过耦合NMN依赖型GDH ortho可将电子精确导向目标产物levodione。
进一步的研究证明，NMN依赖型的突变型葡萄糖脱氢酶（GDH ortho）可被引入细胞内，选择性地为大肠杆菌全细胞生物转化中levodione的合成提供还原力，从而避免了电子和底物向副反应的流失，有效提高了目标氧化还原反应的效率、特异性和可操控性。
图 3 重组大肠杆菌利用NMN传递电子，为维持正常生长代谢提供碳源。
此外，实验组通过将突变型葡萄糖脱氢酶整合入大肠杆菌的葡萄糖代谢通路，并建立胞内NMN合成途径，构建了可以依赖于人工辅酶因子NMN进行生长的工程菌株，进一步证明了NMN系统的高体内活性。这种生长表型经优化后可用于高通量筛选，为未来研究中利用定向进化改造NMN依赖性氧化还原酶提供平台。
综上所述，该研究以人工辅酶因子NMN为例，探索了全细胞正交氧化还原体系的构建方法，并验证了其在体外氧化还原循环和体内特定电子传递中的应用。这项技术可为设计和构建高效、可控、特异性的生物合成途径提供新的工具。
