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近日，中国科学院大连化学物理研究所生物技术部生物质高效转化研究组研究员赵宗保团队在微生物能量代谢控制研究方面取得新进展，成功将无机化能传递给一种可与生物相容的能量载体，并实现了对细胞内物质转化途径的选择性驱动，相关研究成果发表在 ACS Catalysis 上（DOI: 10.1021/acscatal.6b03579）。
能量代谢是生命活动的基本特征之一，需要能量载体（辅酶）介导。天然能量载体如还原型吡啶核苷酸辅酶（Nicotinamide adenosine dinucleotide，NADH），由于可参与众多代谢反应和其它生物过程，使能量代谢调控存在选择性差、生物学效应可预见性低等突出问题。因此，该研究团队提出基于非天然辅酶的能量代谢控制策略。前期工作中，设计合成了非天然辅酶烟酰胺胞嘧啶二核苷酸（Nicotinamide cytosine dinucleotide，NCD），改造了氧化还原酶的辅酶结合口袋，筛选得到非天然辅酶偏好型的突变酶；体外实验表明，突变酶可保持与野生酶相当的催化效率、底物 / 产物选择性等催化性能，从而创建了生物正交的氧化还原催化体系（J. Am. Chem. Soc.,2011,133,20857）。
该研究中，研究团队成功改造并获得了 NCD 偏好型亚磷酸脱氢酶突变体 Pdh*，以用于催化氧化亚磷酸盐高效产生还原型非天然辅酶 NCDH；设计了一系列体外多酶催化体系，发现 NCDH 介导的反应独立于其它依赖天然辅酶的反应，即具有选择性能量传递的特性。以大肠杆菌为宿主，采用基因工程手段过表达 Pdh*、NCD 偏好型苹果酸酶突变体 Mae* 和核苷酸转运蛋白 Ndt，所得工程菌在亚磷酸盐、葡萄糖和催化量 NCD 存在下孵育，苹果酸产量和得率比不添加 NCD 的体系均有显著提高；而不表达 Ndt 的工程菌，体系中添加 NCD 对苹果酸积累无明显影响。结果说明，工程菌摄取 NCD，利用亚磷酸盐为能量源，产生 NCDH，选择性驱动 Mae* 催化的丙酮酸还原羧化反应合成苹果酸。该研究成果为开展基于非天然辅酶的化学生物学和合成生物学研究提供了科学依据。
上述工作得到科技部“973”计划、国家自然科学基金和催化基础国家重点实验室的资助。
原文：Synthetic Cofactor-Linked Metabolic Circuits for Selective Energy Transfer
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