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　　煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）是細胞內(nèi)不可或缺的輔酶，廣泛參與代謝等過程，因此改變NAD水平導致的生物學效應(yīng)難以預(yù)測。為突破調(diào)控天然輔酶的局限，趙宗保團隊致力于基于非天然輔酶的合成生物學研究。前期工作中，該團隊設(shè)計合成了NCD，采用半理性設(shè)計及定向進化策略，改造蘋果酸酶、乳酸脫氫酶、亞磷酸脫氫酶和甲酸脫氫酶，均獲得了NCD偏好型突變體（J. Am. Chem. Soc.，2011）；通過解析晶體結(jié)構(gòu)，揭示了輔酶偏好性改變的分子基礎(chǔ)（ACS Catal.，2019）；以大腸桿菌為宿主，通過表達核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白和NCD偏好型氧化還原酶，成功實現(xiàn)NCD介導的高選擇性能量傳遞（ACS Catal.，2017；Angew. Chem. Int. Ed.，2020）。然而，由于微生物難以從環(huán)境中有效攝取NCD，因此亟需解決細胞內(nèi)NCD供給問題。

　　本研究以煙酸單核苷酸（NaMN）腺苷酰轉(zhuǎn)移酶（NadD）為模板，半理性設(shè)計并改造其底物NaMN和腺苷三磷酸（ATP）的結(jié)合口袋，獲得偏好煙酰胺單核苷酸（NMN）和胞苷三磷酸（CTP）的突變體，即NCD合成酶（NcdS）。該團隊在大腸桿菌中表達NcdS，實現(xiàn)利用內(nèi)源的CTP和NMN合成NCD；通過強化前體合成步驟，胞內(nèi)NCD含量可超過天然輔酶，達到5.0mM，獲得NCD自給型平臺菌株。此外，該團隊還通過表達NCD偏好型蘋果酸酶和D-乳酸脫氫酶，實現(xiàn)NCD介導的L-蘋果酸高選擇性轉(zhuǎn)化為D-乳酸。該工作為細胞內(nèi)合成非天然輔酶奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)合成生物學和化學生物學研究提供了參考。

　　相關(guān)研究成果以題為“Creating Enzymes and Self-sufficient Cells for Biosynthesis of the Non-natural Cofactor Nicotinamide Cytosine Dinucleotide”發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是我所1816組助理研究員王雪穎博士。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和我所創(chuàng)新基金等項目的資助。（文/圖 王雪穎）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22357-z

參考資料

[1] 我所研制出非天然輔酶的合成酶http://www.dicp.ac.cn/xwdt/kyjz/202104/t20210413_5992150.html