近年来，随着合成生物学的飞速发展，利用微生物设计和创建人工合成细胞发酵生产植物天然产物，已作为一种绿色高效的新型生产模式被科学界及工业界认可。但是微生物异源生物合成天然产物的效率经常受到酶调控的影响。酶底物抑制效应是限制化合物产率的主要因素之一。当底物浓度过高，超过某个阈值时，会触发底物抑制效应，从而降低酶反应速率，影响目标化合物的合成。目前在合成生物学和代谢工程领域，对于如何有效解除底物抑制还未广泛报道，尤其是底物抑制发生在天然产物生物合成途径的中间步骤。
科研人员以解脂耶氏酵母异源生物合成β-胡萝卜素为例，报道了两种不同的解除酶底物抑制的代谢工程策略。研究首次发现番茄红素环化酶具有底物抑制效应，高浓度的底物番茄红素对该酶有强烈抑制，成为解脂耶氏酵母中类胡萝卜素生物合成的主要瓶颈。第一种策略是针对番茄红素环化酶的蛋白质工程。改良后的突变体Y27R可以完全解除底物抑制并且不降低酶活性，使得β-胡萝卜素产量显著增加且选择性达到98%。第二种策略是建立香叶基香叶基焦磷酸合酶介导的流量控制器，调控代谢流量，限制番茄红素合成速率，将其浓度控制在抑制水平之下，同时在不触发底物抑制的前提下，确保足够多的代谢流量用于目标化合物合成，获得了与第一种策略相似的β-胡萝卜素滴度和选择性。两种代谢工程策略被证明同等有效地解除了底物抑制，能够高效生产β-胡萝卜素，最终使得β-胡萝卜素的产量达到了39.5克/升。
该研究得到了国家重点研发计划的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28277-w
