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科技日報記者 宋迎迎 通訊員 黃雪年 門萍
3月10日，科技日報記者從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”）獲悉，該所研究團隊解析了環脂肽類天然產物FR901379的完整生物合成途徑和調控機制，尤其是詳細闡明了磺酰化形成機制，在此基礎上通過代謝工程改造，顯著提高了工業菌株的發酵性能，并基于磺酰化模塊創制了水溶性提高數千倍的新型磺酰化棘白菌素類化合物。相關成果發表于《代謝工程》和《微生物細胞工廠》。
棘白菌素類抗真菌藥物是治療深部真菌感染的一線臨床用藥，其中米卡芬凈因存在天然磺酰化修飾具有很好的水溶性。棘腔孢霉發酵生產的環脂肽類天然產物FR901379是米卡芬凈工業生產的前體化合物，其發酵效率低使得米卡芬凈生產成本居高不下，限制了米卡芬凈的市場應用。解析FR901379生物合成機制，開展工業菌株理性改造是提高米卡芬凈生產效率的重要研究方向。
FR901379合成調控機制解析及其應用。黃雪年?門萍制圖
研究團隊首先對FR901379合成基因簇進行了生物信息學預測，通過基因敲除進行了系統驗證并提出FR901379環脂肽骨架的生物合成途徑；利用HMMER構建隱馬爾可夫模型預測同源基因，并結合差異轉錄組數據篩選可能負責氧磺酰基基團合成的候選基因。體內敲除和體外酶活結果表明，氧磺酰化修飾是由細胞色素P450酶McfP和磺酰基轉移酶McfS在環脂肽后修飾階段完成的。
闡明FR901379生物合成機制后，研究團隊針對棘腔孢霉發酵過程中存在產量低、副產物難分離等問題，開展了系統的工業菌株理性改造研究，使FR901379合成途徑全面上調，搖瓶產量也提高了3倍。為了減少因氧化不充分導致的中間產物積累，團隊對關鍵的后修飾限速酶McfF和McfH進行過表達，合成途徑優化后副產物含量減少80%以上，產量也進一步顯著提高，最終在5L發酵罐中產量達到4.0g/L，高于現有工業水平。
磺酰基基團能夠增加化合物的水溶性，進而增加藥物的生物利用度，為了創制更多的磺酰化棘白菌素類化合物，研究團隊將磺酰化模塊在抗真菌藥物卡泊芬凈前體（紐莫康定B0）生產菌株中進行了異源重構，成功獲得了氧磺酰化紐莫康定B0，其水溶性提高了4000多倍，該研究為創制更多磺酰化棘白菌素類化合物提供了酶學元件和可行性驗證。
該研究完整解析了FR901379的生物合成機制，在此基礎上對FR901379合成途徑的適配性進行了優化，并創制了水溶性的新型磺酰化棘白菌素類化合物，為米卡芬凈生產工藝提質增效奠定了基礎，同時也為藥物水溶性提高提供了新思路。
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