锐谈 | Metab. Eng：甜菜碱驱动甲基化

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分类：新闻动态
作者：柠静
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发布时间：2023-02-22 15:53
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S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是广泛存在于生物体内的一种重要中间体，参与多种类型的生化反应，主要包括转甲基、转硫和转氨丙基。在转甲基化过程中，SAM是主要的生物甲基供体，参与DNA、蛋白质和众多代谢产物的甲基化。

然而胞内有限的SAM浓度往往会影响甲基化合物生物合成的能力及效率；为了提高SAM供给，添加蛋氨酸以及代谢通路改造的策略却无法实现甲基自主循环供给以及能量的平衡。其中大肠杆菌合成SAM需要消耗ATP和蛋氨酸，因此一种可能方法就是通过甲基循环供给和提高ATP的可用性来实现甲基化合物的生物合成。

最近，中国科学院微生物研究所陶勇团队于Metabolic Engineering杂志发表文章“Improved methylation in E. coli via an efficient methyl supply system driven by betaine”。在本研究中，利用甜菜碱为甲基源，在大肠杆菌中重建蛋氨酸循环以及耦合外源腺苷再生ATP系统来增强SAM介导的甲基化的甲基和ATP供应，并将该系统应用于阿魏酸的合成(如图1所示），最终该重组菌株发酵24h产量达8.3 mM，甲基供应提高了12.6倍，证明了该甲基供应系统的有效性。

首先，作者为了验证甜菜碱为甲基源能驱动甲基化的想法，将外源性的甜菜碱-高半胱氨酸甲基转移酶（BHMT）引入含有拟南芥来源的咖啡因O-甲基转移酶的大肠杆菌中，通过培养，阿魏酸的产量得到了提升；

随后作者过表达酵母来源的甲硫氨酸腺苷基转移酶和SAH水解酶，通过培养，产量进一步提升；然后考虑SAM的合成需要消耗ATP，于是在此基础上偶联外源腺苷再生ATP系统、阻断内源Mtn-Luxs介导的合成腺嘌呤的SAH水解途径以及各种降解途径，提高了ATP的供应以及甲基供应能力和效率，最终该重组菌株在未添加高半胱氨酸基础下发酵24h阿魏酸产量达1.6 g/L如图2所示；

最后，为了验证甲基系统的普适性，分别将其引入产香草酸、肌酸的菌株中，结果发现该系统都能有效提高甲基化水平。