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为解决 α- 取代 δ- 戊内酰胺（VL）缺乏生物合成途径及难以化学合成的问题，研究人员开展基于聚酮合酶（PKS）的逆向生物合成研究。他们构建工程化 PKS 及途径，成功生产多种 VL 类似物，并用于合成聚合物。该研究为开发新型生物材料提供了有效策略。
在生物合成与化学合成的交叉领域，聚酮合酶（Polyketide synthases，PKS）宛如一把神奇的 “分子剪刀”，能精准裁剪出各类复杂的天然产物。然而，这把 “剪刀” 的潜力还远未被充分挖掘。目前，利用 PKS 生产含氮单体，尤其是内酰胺类物质，面临诸多挑战，比如缺乏已知的 PKS 途径，导致许多具有潜在应用价值的内酰胺类化合物难以通过生物合成或化学合成的方法获取。其中，δ- 戊内酰胺（δ-valerolactam，VL）及其 α- 取代类似物在材料领域展现出巨大潜力，可用于合成聚酰胺（如尼龙 - 5）等材料 ，但它们的生物合成途径一直是个未解之谜。为了突破这些困境，来自多个研究机构的科研人员携手合作，开启了一场探索之旅。这项研究成果发表在《Nature Catalysis》杂志上，为相关领域带来了新的曙光。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。在菌株构建方面，对恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）进行基因工程改造，敲除相关基因以防止内酰胺代谢，构建适合生产的宿主菌株。在分析检测技术上，运用蛋白质组学和代谢组学技术，全面深入地了解菌株在生产过程中的变化情况，进而优化培养条件。此外，利用液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）技术，对目标产物进行精准的定性和定量分析。
下面来看具体的研究结果：
- 宿主工程改造：研究人员选用恶臭假单胞菌 KT2440 作为宿主，通过一系列基因编辑操作，敲除 oplBA、PP_5182 和 davAB 基因，构建出 LP 菌株。该菌株丧失了分解代谢 C5 和 C6 内酰胺的能力，也无法产生 VL 前体 5 - 氨基戊酸（5-AVA），为后续的异源内酰胺生产提供了稳定的宿主环境。
- PKS 途径设计与验证：受氟维菌素生物合成途径启发，研究人员精心设计了生产 VL 和 α- 取代 VL 的 PKS 途径。此途径涵盖 β- 氨基酸加载、嵌合 PKS 和延伸单元生产三个关键部分。体外实验成功验证了 β- 氨基酸加载途径的功能，确保了后续实验的可行性。
- 体内生产 α- 乙基戊内酰胺（EVL）：以 EVL 为初始目标，研究人员将 PKS 生产途径拆分为三个遗传部分，分别导入 LP 菌株基因组的不同 attB 位点。经过一系列优化，包括密码子优化、培养基优化以及增加关键酶基因的拷贝数等，最终使 EVL 产量大幅提升，最高可达 1.82mg/L，实现了从低产量到较高产量的突破。
- 体内生产 VL 及其他 α- 取代 VL：通过 AT 结构域交换策略，研究人员成功利用不同的延伸单元生产出 VL、α- 甲基戊内酰胺（MVL）和 α- 异丁酰戊内酰胺（IBVL）。在这个过程中，发现低水平的 FlvJ 是限制产量的普遍瓶颈。此外，还通过全模块交换策略进一步拓展了 PKS 工程的多样性，为生产更多不同类型的内酰胺类似物提供了新的思路和方法。
- 可持续生产与立体控制：利用可再生碳源（如高粱木质纤维素生物质水解物），研究人员成功生产出 VL 和 α- 取代 VL，彰显了该生产方式的可持续性。同时，PKS 的立体选择性保证了产物为对映纯的化合物，这对于合成具有特定性能的聚合物至关重要，比如能够影响聚合物的热、机械和光学性质等，在材料合成领域具有重要意义。
- α- 取代 VL 的聚合：研究人员采用 “特洛伊木马” 策略，成功实现了 VL 和外消旋 MVL 的聚合，合成了具有特定性能的聚酰胺。同时，通过可逆加成 - 断裂链转移（RAFT）聚合反应，制备了具有潜在生物医学应用的生物衍生聚合物，为内酰胺类化合物在生物医学领域的应用开辟了新的道路。
在研究结论与讨论部分，这项研究充分展示了 PKS 在合成生物学和逆向生物合成策略中的巨大潜力。通过对 PKS 的重编程，研究人员成功生产出多种内酰胺类化合物，为生物合成领域增添了新的成员。尽管目前基于 PKS 的逆向生物合成存在产量较低的问题，但通过多组学指导的优化策略，产量已有显著提升，展现出进一步优化的巨大潜力。而且，与化学合成相比，PKS 生物合成具有利用可再生碳源和立体选择性生产对映纯化合物的优势，这为后续合成具有特定性能的聚合物提供了绿色、高效的方法。在未来，随着研究的不断深入，有望进一步优化工程化 PKS 的表达和宿主菌株，实现工业化规模生产。同时，将 PKS 单体多样化应用于 C6 内酰胺，也将为尼龙 - 6 材料的合成提供新的可能。这项研究为生物合成领域打开了一扇新的大门，为开发新型生物材料奠定了坚实的基础，推动了可持续化学和生物制造领域的发展。
