近期，我校生物工程学院饶义剑教授团队在生物合成苯乙基异喹啉生物碱方面取得重要进展，研究成果“Modular assembly of an artificially concise biocatalytic cascade for the manufacture of phenethylisoquinoline alkaloids”正式发表于Nature Communications(IF = 17.694) (https://doi.org/10.1038/s41467-023-44420-7)
植物来源的生物碱是一类重要的药物。然而，其获取方式仍然依赖于植物提取，难以满足当前市场需求。多酶级联反应作为一种高效的生产方式，正在革新天然产物的生物制造。因此，为了解决微生物合成生物碱的难题，饶义剑教授团队借助于酶挖掘和酶工程手段构建了一个能够利用简单易得的底物合成天然的和非天然的苯乙基异喹啉生物碱（Phenethylisoquinoline alkaloids, PEIAs）的人工简短酶级联反应系统。更重要的是，通过“即插即用”策略替换该系统中的限速酶，实现了秋水仙碱前体(S)-autumnaline的高效合成与放大制备。这项研究不仅简化了未来秋水仙碱生物合成的步骤，还为通过多酶级联反应合成其他生物碱提供了范例。
首先，本文作者对秋水仙碱前体(S)-autumnaline的合成路径进行逆向合成分析，设计了一条合成(S)-autumnaline及其衍生物的多酶级联反应新途径。该级联反应系统较天然合成路径的优势在于更短的合成途径且避免了P450（CYP75A109）催化的两步羟化反应。接下来，作者以3-（3,4,5-三甲氧基苯基）丙酸作为模式底物测试多酶级联反应的可行性，实现了模式产物(S)-1d的合成。随后，作者构建了工程菌株IAA提高中间体醛的产量，并将级联反应体系通过模块化的方式构建到不同的IAA菌株内，最终实现了(S)-1d的合成，产量为3.09 mM。此外，作者对该多酶级联系统的底物谱进行了拓展。结果表明，大部分的底物都能很好的转化为相应的产物。最后，通过酶元件理性改造，“即插即用”等策略替换限速模块，在300 mL体系内规模化制备了秋水仙碱生物合成前体(S)-autumnaline，产量达到了709 mg/L。
饶义剑教授为论文的通讯作者，我校2019级博士生高跃，2022级博士生李菲和罗正山副研究员为共同第一作者。上述工作得到了国家重点研发计划(2018YFA0901700)，国家自然科学基金(32270082, 22108122)，江苏省自然科学基金(BK20202002)和江苏省研究生科研与实践创新项目(KYCX20_1814)资助。
饶义剑教授团队围绕“天然产物的途径解析和仿生定向合成与应用”开展了系统性的研究，并取得了一系列原创性研究成果，部分成果已发表在Nature Communications(2023，2024)、Angew(2022, 2023)、ACS Catalysis(2020，2021，2022，2024)、Green Chemistry(2019, 2022)、Water Research(2022)、Journal of Hazardous Materials(2021, 2023)、Chemical Engineering Journal(2021)等本领域权威期刊。
