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来源：生化分子杂烩
De novo production of protoberberine and benzophenanthridine alkaloids through metabolic engineering of yeast
文章信息：Jiao X, Fu X, Li Q, et al. De novo production of protoberberine and benzophenanthridine alkaloids through metabolic engineering of yeast[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 8759.
研究团队：
Luqi Huang, Juan Guo: State Key Laboratory for Quality Ensurance and Sustainable Use of Dao-di Herbs, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing, China.
Jens Nielsen, Yun Chen: Department of Life Sciences, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53045-3
研究要点
本文通过代谢工程手段改造酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），实现了原小檗碱和苯并菲啶生物碱（BZDAs）的从头合成。这些生物碱是具有多种药理特性的植物特有的天然代谢产物。研究团队开发了一种内质网（ER）区室化策略，提高了液泡蛋白小檗碱桥酶（BBE）的活性，增加了关键中间体(S)-金黄紫堇碱的产量。此外，他们还鉴定了一种多功能液泡蛋白二氢苯并菲啶氧化酶（DBOX），能够催化多种四氢原小檗碱的氧化反应。研究还探讨了这些生物碱的药理特性，包括抗微生物、抗病毒、抗高脂血症、抗糖尿病、抗炎以及预防动脉粥样硬化的潜力。文章最后强调了通过工程化异源植物酶，微生物细胞工厂在生物合成多样化（苄基异喹啉生物碱）BIAs方面的潜力。
图表解读
Fig. 1：重建酵母中从头生产原小檗碱和BZDAs的生物合成途径的示意图。
将整个生物合成途径分为八个模块，每个模块用不同颜色标出，从多巴胺和4-羟基苯乙酸（4-HPAA）的缩合开始，经过一系列的酶催化反应，最终生成目标生物碱。展示了从初级代谢物到目标产物的整个代谢途径，以及各个模块之间的联系。
Fig. 2：优化酵母中(S)-NOR生产的图表。
从葡萄糖到(S)-去甲月桂碱[(S)-NOR]的生物合成途径，包括了不同基因表达、基因删除和途径优化的策略。通过比较不同候选酶和途径优化策略，研究者们提高了(S)-NOR的产量。
Fig. 3：从(S)-NOR生产(S)-RET的生物合成途径扩展。
展示了如何通过不同的N-甲基乌药碱-3′-羟化酶(NMCH)和CPR组合以及增加限速酶的拷贝数来提高(S)-牛心果碱[(S)-RET]的产量。包含了不同工程化菌株的(S)-RET产量和生长情况（OD600）。
Fig. 4：调整BBE以提高(S)-SCO产量的图表。
通过不同的BBE变异体（如GOTS_CyBBE和CyBBE_ERTS）以及ER扩张策略来提高(S)-金黄紫堇碱[(S)-SCO]产量的实验结果。包含了不同工程化菌株的(S)-SCO产量和生长情况（OD600）。
Fig. 5：在模块IV和V中扩展途径以生物合成巴马汀和小檗碱。
从(S)-SCO出发，通过不同的酶催化步骤合成巴马汀和小檗碱的途径。包含了不同工程化菌株的中间体和最终产物的产量，以及通过加热处理提高产物转化效率的实验结果。
Fig. 6：优化酵母中BZDAs生物合成的图表。
通过不同的策略（如提高FAD可用性和ER扩张）来提高白屈菜红碱（CHE）和血根碱（SAN）产量的实验结果。包含了不同工程化菌株的CHE和SAN产量，以及通过不同DBOX候选酶表达对细胞生长和产物合成的影响。
启示与思考
异源酶的工程化应用：本文展示了通过工程化异源酶在酵母中合成复杂植物生物碱的能力，这为生产其他植物来源的次生代谢产物提供了新的思路。
区室化策略的重要性：通过ER区室化策略提高关键酶的活性，本文证明了在异源宿主中模拟植物酶的原生环境对于提高酶活性和产物产量的重要性。
多策略优化：结合基因表达、基因删除、ER扩张和H2O2毒性缓解等多种策略，实现了代谢途径的高效重组，这强调了多因素协同优化在代谢工程中的作用。
提高酶的底物专一性和催化效率：尽管本文中BBE和DBOX的活性得到了提升，但进一步改善这些关键酶的底物专一性和催化效率仍然是未来研究的重点。
扩大合成途径：本文的研究成果可以扩展到其他BIAs的生物合成，为开发新的生物活性分子和药物提供可能性。
概念学习
区室化策略（Compartmentalization Strategy）：区室化策略是通过将特定的代谢途径限制在细胞的特定区域（如内质网、液泡、叶绿体等）来提高代谢效率和产物产量的方法。这种方法可以减少有害中间体的积累，提高酶的活性和稳定性，以及减少代谢流的稀释。
生物合成途径的模块化（Modular Pathway Engineering）：生物合成途径的模块化是指将复杂的生物合成途径分解为较小的、可管理的单元或模块，每个模块负责特定的生化反应。这种方法可以简化途径的构建和优化，提高生产效率。
代谢流的调控（Metabolic Flux Control）：代谢流的调控涉及到对细胞内代谢途径中物质和能量流动的控制。通过改变关键酶的表达水平、调整细胞内环境条件或引入新的代谢途径，可以改变代谢流的方向和速率，从而提高目标产物的产量。
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