天然产物糖基化修饰的底盘设计及适配

Significant achievements have been made in natural products synthetic biology. However, to get the bioactive final products (not the intermediates) in the chassis cell is still a challenge needs to be resolved. Post-modifications, such as the glycosylation, are the common tailoring reactions in natural product biosynthesis, which significantly affect the bioactivity of natural products. To learn, modulate and optimize the network interactions among the tailoring pathways, core skeleton biosynthesis modules and the native metabolic network is crucial to redesign more effective chassis cells for bioactive natural products heterologous biosynthesis. This study will focus on reengineering the deoxysugar pathways based on modulating the module interactions and regulations during the erythromycin A biosynthesis in E. coli system. The global network of E.coli will be redesigned and rearranged to improve the glycosylated polyketide production and tolerance in this system. This research provides a universal strategy for designing more effective glycosylated natural products heterologous biosynethsis system.

过去十年，天然产物合成生物学取得了令人瞩目的进展。但如何在异源体系中高效地合成活性终产物（而非中间体），仍是该领域需深入研究的共性关键问题。糖基化等后修饰反应是天然产物核心骨架形成后的生化反应，这些复杂代谢途径决定了天然产物的活性及理化性质。在底盘细胞中，实现后修饰模块与核心骨架合成模块、底盘代谢网络之间的优化与适配，改善后修饰产物的生物合成，并提高底盘细胞对后修饰产物的耐受性，是解决前述关键问题的核心。本项目在前期研究的基础上，以聚酮类糖基化产物的代表红霉素A的异源合成为模型，在大肠杆菌中，进行其后修饰产物合成途径设计、模块适配及产物耐受性研究。预期将实现脱氧糖及其衍生物的高效合成与供应，获得可以高效合成并耐受特定糖基化产物的大肠杆菌底盘细胞。本研究的策略、方法以及所获得的材料，将对解决糖基化天然产物合成生物学的共性瓶颈问题具有普遍意义。

本研究从糖基化途径工程与糖基转移酶工程两个方面展开。途径工程研究包括TDP-L-mycarose合成途径的设计与组装，糖基侧链合成模块、核心骨架模块与底盘菌株适配研究。我们共获得糖基供体合成质粒8个，糖基化产物底盘菌株17株，实现了糖基化途径与宿主的适配及动态调控。糖基转移酶工程研究，获得四个带有不同底物的SrUGT76G1蛋白质复合体结构，发现SrUGT76G1之所以能够识别多种不同的底物，在于其宽大的糖基受体结合口袋。SrUGT76G1底物结合口袋上的G87与L204在底物识别从二萜到黄酮的变换过程中发挥着重要作用。突变体T284S催化莱宝迪苷D生成莱宝迪苷M的产量增加，而降低了该酶对底物莱宝迪苷A的识别，大大减少了副产物莱宝迪苷I的生成。基于本项目支持完成的糖基化产物rebD和rebMs实现了产业化转化。生物合成新型甜菊糖苷莱鲍迪苷M/D新技术为企业实现新增利润3019万元，新增税收1153万元，外汇创收1267万美元，推动了领域和行业进步。本研究工作结合途径工程与糖基转移酶工程，对天然产物糖基化修饰进行深入的研究，为通过糖基化工程合成更多结构和功能多样性的糖基化天然产物奠定了基础。