(S)-雌马酚(Equol)是一种具有雌激素活性的多功能异黄酮物质，由肠道细菌代谢大豆苷元而来，具有一定的个体特异性。医学研究表明，与其他异黄酮相比，(S)-雌马酚具有更高的生理活性。例如，它的抗氧化能力约为大豆苷元的1.5倍，在预防和治疗炎症相关疾病，如皮肤病、脱发、肥胖、潮热，以及一些与激素有关的疾病方面表现出积极的作用，被称为“功能性最强的异黄酮”。化学合成(S)-雌马酚的存在催化剂昂贵、手性拆分困难等问题；利用肠道细菌生产雌马酚存在发酵条件苛刻、生产率低下等问题。因此，构建耐氧微生物细胞工厂合成(S)-雌马酚不失为一种有吸引力的替代策略。
针对此问题，江南大学食品合成生物学与生物制造团队研究人员利用大肠杆菌构建了用于高效还原大豆苷元合成(S)-雌马酚的细胞工厂。首先，研究人员发现了了(S)-雌马酚合成途径的完全可逆性—即从大豆苷元到(S)-雌马酚的4步酶促反应均是可逆的，这在植物天然产物的转化中是较为罕见的。为此，研究人员建立了阻断(S)-雌马酚向大豆苷元逆向转化的策略。接下来，使用进化原理筛选并鉴定了高效的大豆苷元还原酶。研究者发现还原力NADPH在该路径中的重要角色。在分析了辅助因子代谢模型后，重新设计了一个新的NADPH池，使整个合成途径可以顺利进行。最后，在优化合成体系的代谢通量后，根据前期发现的该过程的氧敏感和搅拌敏感的特点，制定了发酵控制策略，使用5 L生物反应器可实现合成3418.5 mg/L (S)-雌马酚，转化率约为85.9%。本研究为生产(S)-雌马酚提供了一条可行的工艺路线。
上述研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(32021005)和华熙生物科技股份有限公司的支持。
图1 构建用于合成雌马酚的高效还原体系
图2 挖掘和筛选高效的大豆苷元还原酶
图3 重新设计的NADPH池
图4 协调代谢通量提高雌马酚得率
图5 在5 L发酵罐中采用三阶段发酵放大策略生产雌马酚
