大肠杆菌逐级发酵全合成二甲基吗啡

2016-04-01
 生物发酵法以简单碳源全合成蒂巴因(二甲基吗啡)已在酿酒酵母中实现。近日,日本科学家首次在大肠杆菌中实现蒂巴因的全合成。以甘油为碳源,利用四种工程菌的逐级发酵使蒂巴因产量达到2.1 mg/L,是已报道酿酒酵母效率的300倍。
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                       大肠杆菌逐级全合成蒂巴因的代谢途径
相关文章发表在2016年2月5号的Nature Communications:Totalbiosynthesis of opiates by stepwise fermentation using engineered Escherichiacoli。


从简单碳源(葡萄糖、甘油等)合成蒂巴因,需要经过L-酪氨酸、L-多巴胺、四氢罂粟灵(THP)、S-网脉碱和R-网脉碱等关键中间体。此前,研究者已经分别构建了大肠杆菌细胞工厂来合成L-酪氨酸、L-多巴胺及S-网脉碱,但从S-网脉碱到R-网脉碱是限速步骤。


该研究中,研究者通过实验证明来自中药黄连(Coptisjaponica)的甲基转移酶CNMT (coclaurineN-methyltransferase)和4’OMT (4’-O-methyltransferase)的组合可实现从四氢罂粟灵生成(S, R)-网脉碱16mg/L,其中R-网脉碱4.9 mg/L。对比此前已报道的负责S-网脉碱到R-网脉碱转化的细胞色素P450氧化还原酶STORR,他们筛选到来自拟南芥(Arabidopsisthaliana)的ATR2,在删减ATR2的N基端并添加5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)时可检测到R-网脉碱的合成,但不及CNMT和4’OMT的组合效果。


表达N基端删减的SalS (salutaridinesynthase)可实现由R-网脉碱合成沙罗泰里啶(Salutaridine)。组合SalS及蒂巴因合成下游基因SalR(salutaridine reductase)和SalAT(salutaridinol 7-O-acetyltransferase),可由200 uM (S, R)-网脉碱的等量混合物合成54 uM的蒂巴因。


在打通了各中间体的合成途径后,研究者利用四种工程菌:多巴胺合成菌AN1126,(R, S)- 四氢罂粟灵(THP)合成菌AN1055及转化(S, R)-网脉碱到蒂巴因的工程菌AN1600和 AN1829进行逐级发酵,实现从甘油出发全合成蒂巴因,产量达到2.1 mg/L。