近日，我组在非天然辅酶研究领域取得重要进展，创制了烟酰胺胞嘧啶二核苷酸（NCD）合成酶和NCD自给的微生物表型，并成功用于构建高选择性物质代谢途径。研究成果已在Nature Communications发表。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）是胞内不可或缺的辅酶，广泛参与代谢等过程，因此改变NAD水平导致的生物学效应难以预测。为突破调控天然辅酶的局限，团队开创基于非天然辅酶的合成生物学研究。前期工作中，设计合成了NCD，采用半理性设计及定向进化策略，改造苹果酸酶、乳酸脱氢酶、亚磷酸脱氢酶和甲酸脱氢酶，均获得了NCD偏好型突变体（J. Am. Chem. Soc., 2011）；通过解析晶体结构，揭示了辅酶偏好性改变的分子基础（ACS Catal., 2019）；以大肠杆菌为宿主，通过表达核苷酸转运蛋白和NCD偏好型氧化还原酶，成功实现NCD介导的高选择性能量传递 (ACS Catal., 2017; Angew. Chem. Int. Ed., 2020)。然而，微生物难以从环境中有效摄取NCD，亟需解决胞内NCD供给问题。

本研究以烟酸单核苷酸（NaMN）腺苷酰转移酶（NadD）为模板，半理性设计并改造其底物NaMN和ATP的结合口袋，获得偏好烟酰胺单核苷酸（NMN）和胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）的突变体，即NCD合成酶（NcdS）。在大肠杆菌中表达NcdS，实现利用内源的CTP和NMN合成NCD；通过强化前体合成步骤，胞内NCD含量可超过天然辅酶，达5.0 mM，建立了NCD自给的微生物表型。更进一步，通过表达NCD偏好型苹果酸酶和D-乳酸脱氢酶，实现NCD介导的L-苹果酸高选择性转化为D-乳酸。该工作为胞内合成非天然辅酶奠定了基础，将有力推进后续合成生物学和化学生物学研究。

　　该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和大连化物所创新基金等资助。 （文/图 王雪颖）