从真菌中解锁蒽醌类化合物的生物合成密码，开启绿色制造新征程

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【字体：大中小】 时间：2025年02月26日 来源：Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 6.1

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　　为解决蒽醌类化合物生产难题，芬兰自然资源研究所（Luke）的研究人员开展蒽醌类化合物生物合成研究，揭示相关合成路径，为其工业化生产和应用奠定基础。

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　　在五彩斑斓的大自然中，微生物宛如隐藏的宝藏库，蕴含着无数有待挖掘的奥秘。蒽醌（Anthraquinones，AQ）类化合物便是其中极具价值的 “宝藏” 之一，它们广泛存在于细菌、真菌和植物的世界里，犹如多面手，在众多领域发挥着关键作用。在农业领域，它们是守护作物健康的卫士，帮助农作物抵御病虫害的侵袭；在工业领域，它们摇身一变，成为纺织、涂料、电子和化妆品行业可持续发展的新希望，有望替代那些依赖不可再生资源的传统合成材料。

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然而，目前蒽醌类化合物的获取面临诸多挑战。就拿从蘑菇中提取的蒽醌色素来说，其化学合成过程极为复杂，成本高昂，犹如在荆棘丛中前行，每一步都充满艰难险阻。从森林中大量采集野生蘑菇来获取这些色素也并不可行，不仅会破坏生态平衡，而且产量难以满足日益增长的市场需求。因此，寻找一种高效、可持续的蒽醌类化合物生产方法迫在眉睫。

为了攻克这些难题，芬兰自然资源研究所（Luke）的研究人员踏上了探索之旅，致力于揭示蒽醌类化合物的生物合成奥秘。他们的研究成果发表在相关学术期刊上，为这一领域带来了新的曙光。

在此次研究中，研究人员运用了多种先进的技术手段。基因组测序技术让他们得以解读真菌的遗传密码，挖掘潜在的生物合成基因；转录组学分析则帮助他们了解基因在不同条件下的表达情况，追踪生物合成路径；合成生物学技术更是强大的工具，通过构建异源表达系统，研究人员能够验证基因的功能，实现蒽醌类化合物的人工合成。

下面来详细看看研究的具体成果：

鉴定蒽醌生物合成基因簇：研究人员对产蒽醌的担子菌半血红丝膜菌（Cortinarius semisanguineus）进行了基因组测序，并结合转录组学分析，同时对相关的 KIS-3 菌株进行研究。通过比较基因组学的方法，他们在半血红丝膜菌中发现了两个直系同源的非还原型聚酮合酶（nonreducing polyketide synthases，nrPKSs）候选基因 CsPKS1 和 CsPKS2，在 KIS-3 菌株中发现了三个候选基因 CkPKS3 至 CkPKS5。这些基因与已知的蒽醌合成酶具有相似的结构和较高的序列同一性，并且在蒽醌色素合成活跃的组织中高表达，这表明它们极有可能参与蒽醌的生物合成。
验证 AQ 合成酶功能：由于目前缺乏针对丝膜菌属（Cortinarius）的遗传操作工具，研究人员巧妙地借助酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的异源表达系统来验证基因功能。他们构建了含有相关基因的酿酒酵母菌株，结果发现，表达 CsPKS2 或 CkPKS3 的菌株能够成功产生大黄素（emodin）和内 crocin（endocrocin），这确凿地证明了 CsPKS2 和 CkPKS3 是蒽醌合成酶，为蒽醌生物合成途径的确定提供了关键证据。
确定区域特异性 OMT：为了进一步明确蒽醌生物合成途径中的甲基化步骤，研究人员对潜在的 O - 甲基转移酶（O-methyltransferases，OMTs）进行了深入研究。他们通过共表达实验和生物催化实验，发现 CkOMT4 能够将大黄素甲基化为大黄素甲醚（physcion），而 CkOMT2 和 CsOMT5 则可以将内 crocin 甲基化为 dermolutein。此外，通过构建系统发育树，研究人员发现这些 OMT 虽然功能不同，但在进化上形成了一个独特的分支，与其他已知的 OMT 存在明显差异，这揭示了蒽醌甲基化酶的独特进化起源。
解析 OMT 底物结合模式：利用 AlphaFold2 构建蛋白质结构模型，并结合分子对接技术，研究人员对 CkOMT4 和 CsOMT5 与底物的结合模式进行了深入分析。他们发现，尽管这两种酶与已知的 OMT 在序列上相似性较低，但它们的 SAM 结合位点高度保守。同时，底物结合位点的差异决定了它们对底物的选择性和区域特异性，为理解 OMT 的催化机制提供了重要线索。
探究 OMT 底物选择性：研究人员还对 CkOMT4 和 CsOMT5 的底物选择性进行了研究。通过体内生物转化和体外酶促反应实验，他们发现这两种酶对多种蒽醌和黄酮类底物类似物的接受程度较低，底物选择性较为严格。这一结果为进一步优化 OMT 的催化性能提供了方向，也为蒽醌类化合物的定向合成奠定了基础。

在研究结论与讨论部分，此次研究意义非凡。研究表明，丝膜菌属在合成蒽醌类化合物时，使用的 nrPKSs 和 OMTs 与子囊菌中的同类酶并非直系同源，这意味着蒽醌骨架的生物合成以及骨架的 O - 甲基化在不同真菌类群中可能是通过平行进化产生的。丝膜菌属的蒽醌生物合成基因分布在多个生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters，BGCs）中，这种基因分布模式暗示了不同 BGCs 之间可能存在代谢串扰，为理解微生物代谢调控机制提供了新的视角。

研究人员对丝膜菌属中特征性蒽醌生物合成的解析，为在高效合成生物学底盘中重建这些途径铺平了道路。这不仅有助于实现特定蒽醌类化合物的经济生产，满足不同领域的应用需求，还为进一步通过组合生物合成修饰蒽醌骨架提供了可能，使这些化合物能够更好地应用于工业染料、化妆品成分、光敏剂、作物保护剂和药物等多个领域。相信在未来，随着研究的不断深入，蒽醌类化合物将在更多领域绽放光彩，为人类社会的可持续发展贡献力量。

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