生物正交氧化還原體系的構(gòu)建及意義論文
細胞內(nèi)代謝過程除以碳骨架結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹鞯奈镔|(zhì)轉(zhuǎn)化外， 通常還伴隨輔因子介導(dǎo)的能量轉(zhuǎn)移。 物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移高度耦合， 顯著增加了代謝系統(tǒng)的復(fù)雜度。 氧化還原輔因子通過在氧化態(tài)和還原態(tài)之間循環(huán)再生傳遞電子， 將物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑關(guān)聯(lián)成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)[1]. 據(jù)不完全統(tǒng)計， 在微生物中僅吡啶核苷 酸 輔 酶 （nicotinamide adenine dinucleotide（phosphate）， NAD（P））及其還原態(tài)參與的生化反應(yīng)就超過 1000 種[2], 這還不包括它們參與的其他生物學(xué)過程。 傳統(tǒng)生物化學(xué)研究提供了大量生物學(xué)元件[3,4],系統(tǒng)生物學(xué)研究建立了各種代謝模型[5,6], 分子生物學(xué)發(fā)展提供了有效的遺傳操作方法， 使設(shè)計和構(gòu)建新的高效、受控的物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑成為可能。 然而， 輔因子在代謝網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點作用使各種生化反應(yīng)建立起復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)， 極大地影響了外源途徑在底盤細胞代謝環(huán)境中的功能。 以氧化還原代謝為例，新途徑可能破壞宿主內(nèi)源氧化還原平衡， 從而抑制生長， 使新途徑難以產(chǎn)生預(yù)期效果[7]. 人工構(gòu)建的外源途徑對底盤細胞中天然代謝網(wǎng)絡(luò)的相互干擾， 特別是氧化還原環(huán)境的干擾， 是影響外源合成途徑與底盤細胞適配性的重要因素。 通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)輔因子水平， 如控制酶的表達水平、優(yōu)化代謝途徑、改造酶的輔因子偏好性以及敲除競爭代謝途徑等， 可以優(yōu)化外源途徑與底盤細胞的適配性， 在一定程度上提高代謝調(diào)控效率[8~10]. 但輔因子擾動的生物學(xué)效應(yīng)的可控性和可預(yù)見性低。 例如， 琥珀酸生產(chǎn)需要維持胞內(nèi)較高 NADH 水平， 但高 NADH 水平影響菌株對培養(yǎng)條件的適應(yīng)性[11]. 設(shè)計脂肪酸生產(chǎn)菌株時需要使脂肪酸合成途徑與宿主 NADPH 供給能力相匹配， 但由于無法確定擾動 NADPH 水平對代謝造成的全局性影響， 無法預(yù)測合適的外源基因表達強度， 需要篩選不同表達強度的啟動子表達外源基因[12]. 輔因子關(guān)聯(lián)作用導(dǎo)致的復(fù)雜性也是限制代謝途徑可移植性的重要因素。 例如， 在大腸桿菌（Escherichia coli）中構(gòu) 建 的 高 效 丁 醇 合 成 途 徑 , 移 植 到 藍 細 菌（Cyanobacteria）中就難以達到積累丁醇的效果， 因為藍細菌傾向于積累 NADPH 而非 NADH[13,14].
因此， 提高人工代謝途徑在底盤細胞中的適配性、可預(yù)見性和可移植性需要降低代謝系統(tǒng)， 特別是輔因子依賴型氧化還原系統(tǒng)的復(fù)雜度。
1 正交氧化還原體系
為降低代謝系統(tǒng)復(fù)雜度， 可設(shè)計獨立于生長代謝的合成途徑及獨立的輔因子循環(huán)再生體系。 這種在復(fù)雜代謝體系中執(zhí)行系統(tǒng)子功能， 并且其執(zhí)行過程獨立于系統(tǒng)其他組件的子系統(tǒng)稱為正交體系。 正交體系的設(shè)計構(gòu)建過程即“正交化”[15]. 正交氧化還原體系是指電子傳遞獨立于系統(tǒng)其他氧化還原輔因子系統(tǒng)的一種氧化還原體系。 目前主要有兩種策略可用于構(gòu)建正交氧化還原體系： （�。� 在空間上分隔輔因子依賴型體系， 即“空間正交氧化還原體系”; （ⅱ） 構(gòu)建利用人工輔因子代替天然輔因子的體系， 即“生物正交氧化還原體系”[8,15]. 設(shè)計構(gòu)建正交氧化還原體系， 是減少外源途徑對底盤細胞中天然代謝網(wǎng)絡(luò)的干擾， 提高外源合成途徑與底盤細胞適配性的重要策略。 以下綜述正交氧化還原體系的設(shè)計和應(yīng)用特點。
2 空間正交氧化還原體系
空間正交氧化還原體系通過將相關(guān)的酶及輔因子限定在特定區(qū)域， 提高局部底物和輔因子濃度、減少或避免與其他子系統(tǒng)的相互作用[16,17], 目前主要通過構(gòu)建融合蛋白和設(shè)計蛋白錨定支架實現(xiàn)， 并已有多個成功應(yīng)用的報道。 另外， 最近發(fā)現(xiàn)， 細胞內(nèi)可形成一些特殊的微區(qū)室（microcompartment）， 可以有效限制輔因子或代謝中間體擴散， 從而避免胞內(nèi)輔因子水平干擾微區(qū)室內(nèi)氧化還原代謝[18,19]. 利用微區(qū)室也可構(gòu)建空間正交氧化還原體系[15].
蛋白融合技術(shù)通過基因工程手段將多個酶用短肽序列連接形成融合蛋白， 通過調(diào)整連接肽特性和酶的連接方向控制酶的空間定位（圖 1A）， 優(yōu)化級聯(lián)催化過程中底物和能量傳遞[20]. 蛋白錨定支架技術(shù)通過調(diào)整支架上的錨定位點距離、各種錨定位點的數(shù)量和連接肽特性 3 種方式調(diào)整酶的空間定位和比例（圖 1B）， 可降低代謝網(wǎng)絡(luò)對目標途徑的影響， 提高目標途徑底物和輔因子的局部濃度， 減少與環(huán)境的相互影響[21].
兩種空間正交氧化還原體系構(gòu)建策略都受到連接肽特性的影響， 由于連接肽及蛋白結(jié)構(gòu)和功能的多樣性， 需要通過篩選確定合適的連接肽柔性和長度， 優(yōu)化酶的空間定位[2,22]. 連接肽通常使用柔性序列 GGGGS（G4S）[23~26], 通過調(diào)整其拷貝數(shù)改變連接肽長度， 但有時利用剛性氨基酸延長連接肽效果更好， 如將惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）細胞色素 P450（P450cam）、假單胞氧還蛋白（putidaredoxin,P d X ） 和假單胞氧還蛋白還原酶 （ p u t i d a r e d o x i nreductase, PdR）分別與硫磺礦硫化葉菌（Sulfolobussolfataricus）的增殖細胞核抗原（proliferating cellnuclear antigen, PCNA）融合時， 比較兩組連接肽G4S-（P5）n-G4S（n=1~5）和（G4S）n（n=1~6）效果， 以 G4S-（P5）4-G4S 連接時活性最高（（6.5±0.3） μmol/（L min））， 而（G4S）n（n=1~6）最高活性（G4S）5約為 5 μmol/（L min）[22].相比于柔性， 調(diào)節(jié)連接肽長度效果通常更顯著， 上述實例中最適連接肽長度對應(yīng)活性比 n=1 時提高兩倍。
長度選擇也是最常見的連接肽優(yōu)化方式。 在 P450 單加氧酶CinA的C-末端融合黃素氧還蛋白CinC, 催化桉樹醇轉(zhuǎn)化為 2-羥基-桉樹醇， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接肽長度為10 個氨基酸時產(chǎn)量最高， 少于 4 個氨基酸時檢測不到催化活性[2].
除了連接肽特性， 空間正交氧化還原體系構(gòu)建還需要綜合優(yōu)化多種因素以在提高體系獨立性的同時獲得更好的催化活性。 構(gòu)建融合蛋白要考慮融合方 向 對 催 化 效 率 的 影 響 . 將 丙 酮 丁 醇 梭 菌（Clostridium acetobutylicum）來源的氫酶（hydrogenase,H2ase）融合鐵氧還蛋白（ferredoxin, FD）促進產(chǎn)氫時，用 2 個氨基酸殘基連接時， FD 連在 H2ase 的 C-末端對產(chǎn)氫過程無促進作用， 而連在 N-末端氫氣產(chǎn)量提高約 3 倍[26]. 這是因為 H2ase 與 FD 作用位點在氫酶N-末端， N-末端融合更利于兩個蛋白相互作用。 這種融合蛋白組合的催化效率也受連接肽長度的影響，以14個氨基酸殘基連接效果最好， 產(chǎn)氫效率提高近5倍， 延長至 46 個氨基酸殘基幾乎沒有促進作用[26].
與蛋白融合技術(shù)相比蛋白錨定支架技術(shù)可更自如地設(shè)計酶的空間分布和計量關(guān)系[27,28]. 仍以上述H2ase 與 FD 生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫途徑為例： 將真核信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的 PDZ（postsynaptic density protein of 95kilodaltons, disc large, zona occludens-1）， SH3（sarcoma homology 3）和 GBD（gelatin binding domain）3 種結(jié)構(gòu)域整合到支架蛋白上， 通過配體肽段將催化生物合成的酶特異性結(jié)合到支架蛋白的對應(yīng)位置，這種設(shè)計可以通過調(diào)整 H2ase 和 FD 在支架上的結(jié)合位置、酶與支架配體間連接肽的長度、結(jié)合域數(shù)量等調(diào)整酶的空間分布與比例[26]. 結(jié)合域在支架上間距靠近時產(chǎn)氫效率高； 結(jié)合域相對位置相同， FD 與支架蛋配體白的連接肽長度分別為 10, 20, 40 個氨基酸時， 延長肽鏈長度可使氫氣產(chǎn)量提高 3~5 倍； 通過調(diào)整支架蛋白上的 PDZ, SH3 和 GBD 結(jié)合域比例調(diào)整FD:H2ase 比率， 比率越小產(chǎn)氫效率越高[26].
除了蛋白， DNA, RNA 等大分子也可作為蛋白錨定支架[20,29,30], 并且隨著 DNA 合成技術(shù)發(fā)展及對DNA, RNA 結(jié)構(gòu)預(yù)測能力的提高， 基于核酸的支架受到更多重視。 利用 DNA 整合 NAD（P）H: 黃素單核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）氧化還原酶和熒光素酶， 還原力 NADH 經(jīng)過 NAD（P）H:FMN 氧化還原酶傳遞給 FMN, 然后傳遞給熒光素酶， 與分別連在兩條不同 DNA 鏈上的游離狀態(tài)相比， 連在同一 DNA鏈上時活性提高到 2~3 倍[31]. 支架可以是單個分子，也可以是可自組裝的蛋白亞基。 如將前述 P450cam,PdX, PdR 和亞磷酸脫氫酶分別與 PCNA 融合時， 構(gòu)建融合蛋白 PCNA-PdR, PCNA-P450cam 和 PTDH-PCNA-PdX, 3 個融合蛋白的 PCNA 亞基通過自組裝形成三聚體將 4 個酶進行空間整合， 促進反應(yīng)中的電子傳遞， 組裝復(fù)合體比游離酶催化速率提高 2 倍[22,32].
以上空間正交氧化還原體系的應(yīng)用表明， 通過減少天然氧化還原體系的干擾， 可以有效提高目標氧化還原體系的效率和可預(yù)見性。
3 生物正交氧化還原體系
空間正交氧化還原體系通過限制環(huán)境因素對體系的影響提高催化效率和可控性， 仍然難以避免天然輔因子與底盤細胞中天然代謝網(wǎng)絡(luò)的相互影響。如果突破相應(yīng)生物化學(xué)反應(yīng)對天然輔因子的依賴，建立生物正交氧化還原體系， 將可能從根本上解決能量特異性傳遞問題。
3.1 生物正交氧化還原體系構(gòu)建
構(gòu)建生物正交氧化還原體系， 需要合成不被天然代謝系統(tǒng)識別的人工輔因子， 并獲得特異性識別人工輔因子的突變型酶， 組成具有催化功能的配對[15,33].利用蛋白工程和化學(xué)生物學(xué)方法， 構(gòu)建獨立于天然生物反應(yīng)的非天然配體/受體配對， 即生物正交體系，已取得過一些降低生物體系復(fù)雜度的成功例子[34,35].
生物正交的配體/受體配對設(shè)計策略可分為兩種： （�。┎呗砸耘潴w改造為中心， 即先改造受體并篩選獲得不識別天然配體的新受體， 再合成具有一定結(jié)構(gòu)多樣性的配體類似物文庫， 然后篩選得到該新受體與特定配體類似物配對的功能組合； （ⅱ） 策略以受體改造為中心， 即先選定一種不被天然受體利用的配體類似物， 再構(gòu)建受體文庫， 然后篩選得到該配體類似物與新受體的配對功能組合[36].
以設(shè)計篩選 NAD 類似物-依賴型氧化還原酶為例， 說明正交氧化還原體系構(gòu)建過程[33]. 對于 NAD分子， 可認為由單磷酸腺苷（adenosine monopho-sphate, AMP） 和 煙 酰 胺 單 核 苷 酸 （nicotinamidemononucleotide, NMN） 兩部分組成 （ 圖 2A）， 其中NMN 參與電子傳遞， 而 AMP 部分參與分子識別， 對輔因子特異性有重要影響[37]. 改造 NAD 結(jié)構(gòu)的腺嘌呤環(huán)部分， 可在保留電子傳遞功能的同時改變其與受體相互作用。 因此， 以其他雜環(huán)代替腺嘌呤環(huán)部分合成一系列 NAD 類似物， 同時以 NAD 依賴型蘋果酸酶（malic enzyme, ME）為例構(gòu)建其突變體表達文庫。 利用以上合成的特定NAD類似物為輔因子， 篩選ME突變體文庫， 得到具有催化活性的功能配對[33,38,39].
以 5-氟代胞嘧啶環(huán)代替腺嘌呤環(huán)的類似物煙酰胺 氟 代 胞 嘧 啶 二 核 苷 酸 （nicotinamide flucytosinedinucleotide, NFCD）（圖 2B）為輔因子， 野生型 ME 催化效率僅為以 NAD 為輔因子時的 0.93%. 在 ME 突變 文 庫 中 篩 選 利 用 NFCD 的 突 變 體 ME*（MEL310R/Q401C）， ME*以 NFCD 為輔因子的`催化效率與野生型組合相當(dāng)， 而以 NAD 為輔因子的催化效率僅為以 NFCD 為輔因子的 0.37%. 而且， ME*保留了對底物蘋果酸的立體選擇性。 因此， ME*-NFCD 組合可 作 為 生 物 正 交 化 氧 化 還 原 體 系 執(zhí) 行 天 然 的ME-NAD 體系的催化功能[33]. 進一步合成了其他NAD 類似物（圖 3B）， 發(fā)現(xiàn) ME*與 NBrCD 配對的催化效率可達到野生型配對催化活性的 73%. 表明 NAD類似物與 ME*組成的配對可達到與天然體系相近的催化效率， 即構(gòu)建了不依賴天然輔因子的正交氧化還原體系[39].
基于NFCD類似物（NFCD analog, NXCD）的正交氧化還原體系構(gòu)建策略具有可擴展性。 氧化還原酶與 NAD 的結(jié)合區(qū)域通常具有保守的 Rossmann 折疊結(jié)構(gòu)[40]. ME*的關(guān)鍵突變位點 L310 位于其保守序列GX（X）GXXG 的 N-末端， 對蘋果酸脫氫酶和乳酸脫氫酶的相應(yīng)保守位點的氨基酸進行定點突變， 均獲得了偏好 NFCD 的突變體[33]. 說明同樣的突變策略可應(yīng)用于改造其他吡啶核苷酸輔酶依賴型氧化還原酶， 構(gòu)建相應(yīng)的正交反應(yīng)體系。
構(gòu)建生物正交氧化還原體系的難點在于設(shè)計篩選生物正交的配體-蛋白組合。 雖然不斷完善的配體-蛋白組合輔助設(shè)計工具降低了工作難度[41~43], 獲取高活性配體-蛋白組合仍需高通量篩選策略[44]. 由于氧化還原酶具有較高的結(jié)構(gòu)保守性[40], 識別 NAD 類似物所蘊涵的信息可用于指導(dǎo)改造其他氧化還原酶。 目前使用的 NXCD 系列類似物合成成本較高， 使用過程中可以選擇循環(huán)再生策略降低使用成本[33].
3.2 生物正交氧化還原體系的應(yīng)用
由于正交氧化還原體系獨立于天然輔因子循環(huán)體系， 可進行途徑特異性還原力傳遞， 因此理論上可用表達突變型功能酶的粗酶液進行選擇性生物轉(zhuǎn)化。
以大腸桿菌細胞裂解液催化轉(zhuǎn)化蘋果酸生產(chǎn)丙酮酸為例， 對于表達野生蘋果酸酶的體系， 在 NAD 存在下， 蘋果酸氧化脫羧生成丙酮酸并伴生NADH[45]. 而內(nèi)源的乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）以NADH 為輔因子， 進一步將丙酮酸還原為乳酸（圖3A）。 丙酮酸和乳酸收率分別為 70%和 26%, 即 26%丙酮酸被轉(zhuǎn)化成乳酸。 而利用過表達 ME*的粗酶液在外加 NFCD 的條件下， 丙酮酸收率達到 79%時， 乳酸收率僅為 5%. 這是因為， 內(nèi)源乳酸脫氫酶難以利用 NFCDH 為輔因子還原丙酮酸（圖 3B）。
可見， 利用生物正交氧化還原體系， 可以使電子特異性地在該體系內(nèi)部傳遞， 避免與內(nèi)源途徑相互干擾， 提高體系效率的同時排除副反應(yīng)。 這一特性表明正交氧化還原體系可降低外源途徑與底盤細胞中天然代謝網(wǎng)絡(luò)的相互干擾， 提高外源合成途徑與底盤細胞適配性。 由于目前還沒有在胞內(nèi)檢測到NXCD 的相關(guān)報道， 應(yīng)用正交氧化還原體系需要解決將 NXCD 導(dǎo)入胞內(nèi)的問題。 通過化學(xué)合成獲得NXCD, 再利用細胞透性化技術(shù)或轉(zhuǎn)運蛋白[48~50]可將 NXCD 導(dǎo)入細胞。
作者近期利用擬南芥（Arabidopsis thaliana）來源的 NAD 轉(zhuǎn)運蛋白[50]將胞外 NCD 導(dǎo)入大腸桿菌工程菌， 成功地在胞內(nèi)構(gòu)建生物正交氧化還原體系[51]. 該體系利用突變型亞磷酸脫氫酶氧化亞磷酸再生NCDH, NCDH 特異性推動 ME*催化丙酮酸還原羧化產(chǎn)生蘋果酸[51,52]. 而對于天然體系， 由于 NADH 被天然代謝系統(tǒng)消耗， ME利用NAD催化蘋果酸氧化脫羧反應(yīng)。 這些結(jié)果表明， 基于 NCD 的正交體系可有效避免與天然體系相互干擾， 選擇性傳遞氧化還原力。正交氧化還原體系的應(yīng)用將顯著提高外源合成途徑與底盤細胞適配性。
4 展望
正交氧化還原體系對提高輔因子調(diào)控效率和可預(yù)見性具有重要意義， 有利于提高外源合成途徑與底盤細胞適配性。 可通過空間正交化和生物正交化兩種策略構(gòu)建正交氧化還原體系。 其中空間正交化策略在空間上隔離輔因子依賴型代謝反應(yīng)， 其推廣應(yīng)用依賴于發(fā)現(xiàn)更高效的蛋白錨定支架系統(tǒng)或組裝新的微區(qū)室。 生物正交化策略可從根本上解決輔因子依賴型反應(yīng)相互干擾的問題， 是輔因子調(diào)控技術(shù)發(fā)展的重要方向， 其發(fā)展依賴于分子間相互作用的分析設(shè)計能力和配體/受體組合的篩選能力， 以獲得功能更豐富的生物正交氧化還原體系， 并提高生物正交特異性。 其中在 NCD 基礎(chǔ)上設(shè)計煙酰胺胞嘧啶二 核 苷 酸 磷 酸 （nicotinamide cytosine dinucleotidephosphate, NCDP）化學(xué)合成或生物合成途徑， 并篩選構(gòu)建 NCDP-功能酶正交組合， 將極大地提高生物正交氧化還原體系組件的設(shè)計構(gòu)建效率， 提供多種輔因子水平和氧化還原狀態(tài)選擇， 為基于生物正交氧化還原體系的代謝途徑設(shè)計提供更廣闊的應(yīng)用和研究空間。
正交氧化還原體系提供了一種提高胞內(nèi)輔因子調(diào)控效率和可預(yù)見性的新思路， 與其他工程策略組合使用， 對設(shè)計微生物細胞工廠乃至生命系統(tǒng)具有重要價值。
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