科技日報實習記者 宋迎迎 通訊員 張偉 黃雪年
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱“青島能源所”）呂雪峰團隊在絲狀真菌中發現了黃酮生物合成基因簇（BGCs），通過合成途徑解析闡明了真菌黃酮合成新機制，豐富了對黃酮類化合物生物合成的認識，同時為合成生物技術開發提供了新的選擇，相關研究成果在期刊《德國應用化學》上發表。
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黃酮是廣泛存在于植物中的一大類天然產物，其在功能性食品、醫藥等領域具有重要的應用價值。目前，黃酮資源依賴于植物中獲得，受制于植物種植周期長、分離純化工藝復雜等諸多弊端，黃酮產能小、成本高。因此，黃酮類產品的應用開發和市場拓展也嚴重受限。利用合成生物技術設計構建黃酮細胞工廠，推動植物黃酮的微生物高效生產成為一種重要解決方案。由于物種差異，植物黃酮合成途徑在微生物中異源重構面臨著適配性差、產量低等問題，距離商業化仍有較大差距。
真菌黃酮合成示意圖。張偉、黃雪年制圖
利用自抗性基因共定位（SRGD）策略是開展天然產物基因組挖掘的一種有效方式，為了尋找具有抗菌和除草活性的天然產物，青島能源所研究團隊首先以合成支鏈氨基酸的關鍵酶乙酰乳酸合酶（ALS）為探針，在亮白曲霉中發現了負責合成黃酮類化合物氯黃酮的生物合成基因簇。活性評價顯示，氯黃酮具有抑制擬南芥種子萌發和抑制病原菌生長的活性，而體內和體外實驗也證實cfoL確實是編碼ALS的氯黃酮自抗性基因，因此具有開發成為除草劑和抗生素的潛力。
SRGD策略發現真菌氯黃酮合成基因簇及活性分析。張偉、黃雪年制圖
青島能源所研究團隊已研究清楚植物黃酮的生物合成途徑。研究人員通過基因敲除、同位素標記實驗發現，亮白曲霉中查爾酮骨架由NRPS-PKS雜合酶CfoA以苯甲酸或對羥基苯甲酸為起始單元與4分子乙酰輔酶A縮合形成，而非是植物的Ⅲ型PKS裝配模式，說明真菌黃酮骨架合成機制與植物存在顯著差異。
亮白曲霉氯黃酮生物合成途徑。張偉、黃雪年制圖
在此基礎上，研究團隊通過基因敲除和體外酶活實驗發現，CfoK催化查耳酮關環生成黃烷酮，這與植物中的CHI具有相同的功能。但是CfoK與目前已經發現的CHI存在不同的進化關系?；贏lphaFold2預測的蛋白質結構模擬和定點突變實驗表明，CfoK通過His33介導的酸堿催化誘發查耳酮發生Oxa-Michael加成反應，以6-endo-trig關環方式形成構型專一的黃烷酮，這一機制不同于植物CHI中水介導的催化過程，因此CfoK是一種新穎的真菌查耳酮異構酶。
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真菌中查耳酮異構酶CfoK的表征。張偉、黃雪年制圖
亮白曲霉中由黃素依賴型氧化還原酶CfoJ行使黃酮合酶（FNS）功能，將黃烷酮轉化為黃酮，進化樹分析顯示，其與已知的FNS I （2-酮戊二酸依賴型雙加氧酶）和FNS Ⅱ（細胞色素氧化酶P450）處于不同的分支。蛋白質結構預測和定點突變實驗結果顯示，CfoJ是通過典型的黃素依賴型氧化還原酶催化機制介導C2-C3位的脫氫，將黃烷酮轉化為黃酮，這與植物FNS的自由基催化機制完全不同，因此CfoJ是一種新型的真菌黃酮合酶。
真菌中黃酮合酶CfoJ的表征。張偉、黃雪年制圖
該研究完整解析了真菌黃酮獨特的生物合成途徑，提示真菌黃酮合成途徑在進化上是獨立的，而非通過基因水平轉移從植物中獲得。這一發現豐富了自然界黃酮生物合成的多樣性，同時也為其合成生物技術開發與微生物高效制造提供了新思路，對黃酮的應用價值開發具有重要意義。
關鍵詞： 生物合成
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