图5 解脂耶氏酵母TAL合成代谢途径

图6 聚酮生物合成中PKS途径与PKT途径的比较

2 放线菌聚酮类化合物合成的应用

聚酮类化合物数量庞大、结构多样、活性丰富，是新药开发的重要前体。在聚酮化合物生物合成的多种底盘细胞中，放线菌具有多种不同的系统，可以用于合成不同结构和功能的聚酮化合物[80]。随着合成生物学的兴起和应用，在传统聚酮化合物合成机理的基础上，充分运用合成生物学系统化设计和工程化构建的策略，对聚酮化合物的合成途径进行改造在众多聚酮化合物的合成中取得了成功。如针对底盘细胞的调控网络优化、代谢流的改造以及聚酮合成基因簇的异源表达等在红霉素、阿维菌素及多杀菌素的生物合成中的应用，使得相关聚酮化合物的产量得到了突破性的提升。

2.1 红霉素的生物合成研究进展

红霉素及其衍生物在临床治疗及畜牧业中应用广泛，目前有大量研究工作以提高糖多孢红霉菌的红霉素产量，并且糖多孢红霉菌已作为一个抗生素生产系统模型被广泛研究[81]。在红霉素生物合成过程中，改善前体供应[51]、改造糖多孢红霉菌的次级代谢通路[57]、优化红霉素合成调控网络[18,66,71,82]是常见的几种提高红霉素产量的策略。在红霉素生物合成中，丙酰辅酶A是其直接前体，同时也是丙酰化的酰基供体。丙酰辅酶A的过量供应会引起超丙酰化，这被证明对糖多孢红霉菌中红霉素的合成有害[18,50-51,83]。红霉素的高效生物合成需要作为前体的丙二酰辅酶A的充足供应，但是过量的酰基辅酶A 激活代谢酶的酰基化，从而反馈抑制产物的合成。Xu 等[18]使用酰基化修饰组学技术结合生物信息学分析，发现酰基辅酶A浓度与蛋白质酰基化水平及红霉素产量之间的相关性。在此基础上，通过酰基化组学与酶学分析，研究人员揭示了丙酰化是影响红霉素合成的关键因素，并提出了阻碍丙酰化及优化PhoP 介导的磷源与碳源协同调控网络，从而对酰基化酶脱敏以消除丙酰化对红霉素合成的抑制作用。通过PTM-ME 策略实现工业生产用糖多孢红霉菌中红霉素的产量翻倍[18-22]（见图7）。

2.2 阿维菌素的生物合成研究进展

阿维菌素作为制药公司的大宗商品，年销售额达10 亿美元，其生物合成主要通过阿维链霉菌在发酵生长的稳定期作为次生代谢产物产生。阿维菌素的合成前体主要是丙二酰辅酶A，其主要是通过乙酰辅酶A和丙酰辅酶A羧化产生。其中酰基辅酶A 羧化酶（ACCases）起到了关键的作用，通过对ACCases 的调控，能影响阿维菌素合成的前体供应。研究人员发现阿维链霉菌AccR 能结合并抑制accD1A1-hmgL-fadE4 操纵子进而抑制胞内乙酰辅酶A和丙酰辅酶A的同化。而甲基巴豆酰-、丙酰-和乙酰辅酶A 能充当效应子，将AccR 从其靶DNA释放，从而通过去阻遏作用增强靶基因的转录，提高前体供应。甲基巴豆酰-和丙酰辅酶A对AccR的亲和力强于乙酰辅酶A。敲除accR能使短链酰基辅酶A（乙酰-、丙酰-、丙二酰-和甲基丙二酰辅酶A）的浓度增加，从而使阿维菌素产量增加14.5%[84]。在微生物的初级代谢和次级代谢中都存在碳代谢阻遏现象。Lu 等[85]的研究显示，ROK 家族调控因子Rok7B7 直接控制阿维链霉菌中碳分解代谢物的阻遏、抗生素的生物合成和形态发育，通过敲除Rok7B7 解除碳代谢阻遏，可以增加阿维菌素的产量。与改造前体供应的调控网络不同，Wang 等[23]采用重构阿维菌素合成通路中的碳代谢流的策略来提高阿维菌素的产量。首先通过多组学技术揭示了在初级代谢过程中积累的细胞内三酰基甘油（TAGs）在稳定期被降解。这个过程中将碳流量从细胞内TAG 和细胞外底物引导到聚酮化合物的生物合成中。他们设计了一种名为“TAG 的动态降解”（ddTAG）的策略，以调动TAG 池并增加聚酮化合物的生物合成。使用ddTAG，提高了天蓝色链霉菌、委内瑞拉链霉菌、龟裂链霉菌和阿维链霉菌中放线紫素、杰多霉素B、土霉素和阿维菌素B1a 的滴度。将ddTAG 策略应用在180m3工业规模发酵中将阿维菌素B1a 的效价提高了50%，达到9.31g/L，这是有史以来最高的效价（见图8）。

2.3 多杀菌素的生物合成研究进展

多杀菌素是具有重大商业价值的广谱杀虫剂之一，是由刺糖多孢菌合成的一组大环内酯类杀虫剂。尽管刺糖多孢菌可用于工业规模生产多杀菌素，但是却具有诸多缺点，包括生长周期长、发酵生物量低和淀粉利用效率低等。为了克服这些缺点，通过合成生物学的手段进行多杀菌素异源表达合成具有重要的意义。Zhao等[86]通过BAC载体将完整的多杀菌素合成基因簇（74kb）以及结合转移和位点特异性整合所需的元件引入不同的链霉菌宿主中用以构建多杀菌素的异源生产菌株。使用这种方法构建的天蓝色链霉菌和淡紫色链霉菌异源合成菌株，多杀菌素的产量可分别达到1μg/mL和1.5μg/mL[86]。此外，基于多组学分析的异源表达改造可以使异源表达突变株的构建更高效且具有针对性，Tan 等[87]使用多组学方法指导链霉菌内多杀菌素异源表达的代谢途径优化，使多杀菌素的产量比原始菌株提高了1000 倍。这些研究提供了通过异源宿主中的遗传操作生产多杀菌素及其类似物的潜在替代途径，也为聚酮化合物绿色制造提供了可选的策略。

文章来源：《现代制造技术与装备》 网址: http://www.xdzzjsyzb.cn/qikandaodu/2021/0708/936.html