煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺，輔酶I，維生素B3的活性形式）是細(xì)胞必需的基本生命分子之一。NAD⁺和其相應(yīng)的還原形態(tài)NADH作為質(zhì)子的受體或供體參與各種氧化還原過(guò)程（如：糖酵解、檸檬酸循環(huán)、氧化磷酸化等）。另外，在細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、調(diào)節(jié)等非氧化還原過(guò)程中，NAD^＋作為反應(yīng)底物參與核酸、蛋白質(zhì)等大分子的修飾，如NAD⁺參與的DNA和RNA修飾、NAD⁺依賴的組蛋白去乙?；AD⁺依賴的泛素化等。NAD⁺由腺苷一磷酸（AMP）和煙酰胺單核苷酸（NMN）組成。在生物體內(nèi)，NAD⁺的合成包括從頭合成途徑和利用煙酰胺類(lèi)前體的補(bǔ)救合成途徑。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)兩條NAD⁺的從頭合成途徑：天冬氨酸途徑（Pathway I）和色氨酸-犬尿酸途徑（Pathway II）。

中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員陳義華課題組在鏈霉菌次級(jí)代謝產(chǎn)物保羅霉素生物合成的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)創(chuàng)建了從分支酸到NAD⁺的人工合成途徑—C3N途徑。在C3N途徑中，研究人員利用參與吩嗪類(lèi)化合物（PhzE、PhzD）和保羅霉素（Pau20）生物合成的酶與芳香族化合物降解酶（NbaC）完成了從分支酸到喹啉酸的轉(zhuǎn)化；進(jìn)一步利用NAD⁺合成途徑中的后三步反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了NAD⁺分子的合成。為驗(yàn)證這一途徑，研究人員將C3N途徑構(gòu)建到NAD⁺從頭合成缺陷的大腸桿菌中，證明C3N途徑可以獨(dú)立地高效合成NAD⁺，保障大腸桿菌的正常生長(zhǎng)。

人工設(shè)計(jì)的C3N途徑突破了細(xì)胞固有的代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控限制，解除了NAD⁺與蛋白質(zhì)合成間的耦聯(lián)，經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后，在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了極高水平的NAD(H)積累。隨后，研究人員以重要的藥物中間體2,5-二甲基吡嗪和手性胺的制備為例，證明了在高水平的NAD(H)底盤(pán)細(xì)胞中，NAD(H)依賴的氧化還原酶的反應(yīng)效率得到顯著提升，C3N途徑可應(yīng)用于高值化合物的高效生產(chǎn)等領(lǐng)域。由于C3N途徑的前體分支酸廣泛分布于細(xì)菌、古菌、真菌和植物中，這一途徑在理論上具有廣泛應(yīng)用潛力。人工設(shè)計(jì)的C3N途徑是利用合成生物學(xué)手段探索NAD⁺從頭合成問(wèn)題的一個(gè)解答，為研究NAD⁺這類(lèi)重要分子合成的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題提供了新思路，并將促進(jìn)涉及NAD(H)的應(yīng)用研究。

相關(guān)研究成果以Construction of an alternative NAD+ de novo biosynthesis pathway為題，在線發(fā)表在Advanced Science上。陳義華組博士生丁勇和李心利為論文并列第一作者，陳義華為論文通訊作者。加拿大勞里埃大學(xué)教授Horsman、微生物所研究員陶勇、吳邊提供了指導(dǎo)和幫助。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)杰出青年基金和面上項(xiàng)目的資助。

論文鏈接

圖1.NAD⁺的人工合成途徑（C3N途徑）與自然界中NAD⁺的從頭合成途徑

圖2.基于C3N途徑構(gòu)建的高效NAD(H)依賴型細(xì)胞工廠示意圖

來(lái)源：中科院