行业动态

植物源生物碱是一类重要的天然产物，具有多种药理特性，其临床应用长期受限于传统获取方式的效率瓶颈。以原小檗碱类化合物为例，代表性药物罗通定（Rotundine）虽具有显著镇痛与抗焦虑活性，但其在药用植物延胡索中的含量低。

此外，这些化合物的生物合成路径复杂，且植物来源的 P450 酶在微生物中的表达存在困难，导致其合成效率低下。例如工程酵母中小檗碱的产量为 16.9 mg/L，罗通定的产量为 68.6 mg/L，仍然缺乏商业可行性。

针对这一挑战，江南大学饶义剑团队在 Nature Communications 发表题为"A concise enzyme cascade enables the manufacture of natural and halogenated protoberberine alkaloids"的研究论文，报道了一种简洁的酶级联反应，能够从廉价易得的底物高效合成多种原小檗碱类生物碱。

在这项工作中，团队利用大肠杆菌全细胞催化实现了代表性药物罗通定的高效合成，产量达 2.44 g/L；此外，也实现了卤代原小檗碱生物碱的高效合成。这一突破标志着合成生物学在复杂天然产物制造领域的里程碑进展。

该研究设计了一种简化的 6 酶级联反应，包含 4 个模块：BIA 模块、MT 模块、BBE 模块和 S9OMT 模块。

研究团队首先对已报道的原小檗碱类生物碱的生物合成途径进行了全面分析，发现这些生物碱都基于中间体 (S)-网状番荔枝碱（(S)-reticuline）进行合成，其骨架为苄基异喹啉生物碱（BIAs）。

以罗通定为模型化合物，研究表明，其核心BIA骨架(S)-网状番荔枝碱可以通过去甲乌药碱合成酶（NCS）催化的多巴胺和2-(3,4-二羟基苯基)乙醛（2a）的偶联反应生成。

鉴于醛在微生物中不稳定，研究人员使用羧酸还原酶（CAR）将容易获得的 2-(3-羟基-4-甲氧基苯基)乙酸（1a）还原，从而在原位合成 2a（BIA模块）。随后的 O-甲基化和 N-甲基化可以通过去甲乌药碱 6-O-甲基转移酶（6OMT）和乌药碱 N-甲基转移酶（CNMT）实现，生成(S)-网状番荔枝碱（MT模块）。上述反应分别被设计为 BIT 模块和 MT 模块，后者包含来自罂粟的 Ps6OMT 与来自黄连的 CNMT。

此外，还包括用于氧化环化的 BBE 模块（来自 Eschscholzia californica的 BBE）和用于连续两阶段甲基化的 S9OMT 模块（来自黄唐松草的 Tf S9OMT）。通过上述步骤简化了复杂的从头生物合成途径并减轻了产物或中间体在微生物中积累引起的细胞毒性。

为了能够大规模生产罗通定，并避免复杂的蛋白质纯化和体外重建相关的辅因子的高成本，将设计的酶级联整合到全细胞催化系统中。

通过分子伴侣、启动子工程、定向进化和辅因子工程等手段，研究人员系统地优化了小檗碱桥酶 BBE 的表达水平及其催化性能，有效解决了原小檗碱类生物碱生物合成中小檗碱桥酶催化活性差的固有难题。

图 | 用于合成天然和卤代原小檗碱生物碱的人工多酶级联反应设计

随后，基于结构指导，作者对 S9OMT 进行了定向进化，在保持其对 9-OH 高效甲基化的同时，显著提高了其对 2-OH 的甲基化能力。

通过上述途径构建、酶改造及条件优化，罗通定的产量达到了2.44 g/L，这是目前文献报道中的最高产量。

为拓展该平台的结构多样性潜力，研究团队进一步开发卤代原小檗碱的生物合成路线。通过将 CNMT 替换为工程改造的 CNMT#（F92A/N332A 突变体），结果显示，通过即插即用策略用该变体取代 CNMT 的催化级联能够从多种卤代 2-(3-羟基苯基)乙酸中高效合成各种卤代原小檗碱生物碱，其特点是在  4-、5-和 6-位上有氯或氟取代。

这项研究通过设计简洁的酶级联反应，成功解决了原小檗碱类生物碱合成路径复杂和效率低下的问题。该方法不仅缩短了合成步骤，还避免了 P450 酶的修饰需求，为未来大规模生产秋水仙碱及其他复杂苯乙基异喹啉生物碱提供了新的平台。

参考链接：1.Li, F., Yuan, Z., Gao, Y. et al. A concise enzyme cascade enables the manufacture of natural and halogenated protoberberine alkaloids. Nat Commun 16, 1904 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57280-0

免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。