電池工廠首次生產(chǎn)的鰻草酸和白藜蘆醇

丹麥技術(shù)大學(xué)(DTU)諾和諾德基金會生物可持續(xù)性研究中心的科學(xué)家利用自然界中通過酶添加硫酸根基團(tuán)的方法，首次展示了如何在微生物宿主(細(xì)胞工廠)中生產(chǎn)多種硫酸鹽酚類化合物。這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究發(fā)表在《自然通訊》上，能夠通過發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)硫酸化酚類化合物。

“由于硫酸鹽可用于防污劑和藥物等多種產(chǎn)品，因此前景廣闊。這項(xiàng)工作可能意味著將來更便宜，更好的藥物以及具有新特性的生物化學(xué)和聚合物，”通訊作者，來自諾和諾德基金會生物可持續(xù)性研究中心的Alex Toftgaard Nielsen教授。他還是Cysbio的CSO，該公司致力于將硫酸鹽分子等產(chǎn)品商業(yè)化。

酚類化合物是芳香族分子，可用于醫(yī)藥，營養(yǎng)保健品和其他抗氧化劑以及化妝品和聚合物行業(yè)。將硫酸鹽殘基添加到酚類化合物中可以增加分子的酸度和溶解度，并降低其毒性。

作為細(xì)胞工廠中硫酸化過程概念的證明，研究人員希望生產(chǎn)帶氫磷酸。這種酸在海洋植物鰻草中發(fā)現(xiàn)，是一種強(qiáng)大的防污劑。用于船舶涂料中，它可能會抑制藻類在船體上的生長。此外，它還用于消毒劑中，可以防止細(xì)菌附著在表面(生物膜)上，例如在醫(yī)院。

如今，可以從植物材料中提取帶氫唑酸，但效價(jià)低，成本高。左旋酸也可以化學(xué)合成，但這需要苛刻的化學(xué)條件并產(chǎn)生大量化學(xué)廢物。因此，生物學(xué)過程是優(yōu)選的。

研究人員必須對細(xì)胞工廠內(nèi)的幾個(gè)基因進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和重新連接，以優(yōu)化硫酸化過程。通過提高硫酸鹽的吸收和優(yōu)化細(xì)胞中硫酸鹽供體酶的利用率都可以做到這一點(diǎn)。

結(jié)果是在所謂的分批補(bǔ)料發(fā)酵中每升最多可產(chǎn)生5克帶菌酸。該產(chǎn)量令人印象深刻，因?yàn)樽匀唤缤ǔH產(chǎn)生非常少量的帶氫唑酸，并且由于化學(xué)合成極其困難且昂貴。

從生物學(xué)上講，左旋酸是由一種酶(磺基轉(zhuǎn)移酶)產(chǎn)生的，該酶將硫酸鹽側(cè)基轉(zhuǎn)移到特定的結(jié)構(gòu)分子上。因此，研究人員從人類，果蠅，鰻草，大鼠，雞，兔子，狗，蠕蟲，斑馬魚和豬中分離出了磺基轉(zhuǎn)移酶，從而找到了最有效的一種。獲勝的酶實(shí)際上是從大鼠肝臟中分離出來的，并且在微生物生產(chǎn)宿主中表現(xiàn)出色。

使用這種方法，研究人員還發(fā)現(xiàn)了磺基轉(zhuǎn)移酶可以使紅酒中強(qiáng)大的抗氧化劑白藜蘆醇硫酸化。如今，由于其在葡萄中的含量非常低，繁瑣的純化過程以及對苛刻化學(xué)品的需求，從植物中提取白藜蘆醇變得困難，費(fèi)時(shí)且不可持續(xù)。

在葡萄中，白藜蘆醇以無活性的非硫酸鹽形式存在。白藜蘆醇進(jìn)入人體后，會被肝臟硫酸化而變得活躍，從而賦予該分子抗氧化性能。因此，能夠在細(xì)胞工廠中生產(chǎn)大量硫酸化的白藜蘆醇打開了生產(chǎn)更具活性和生物利用度的抗氧化劑的大門，該工藝也可用于改變藥物的特性。

此外，研究人員表明，某些磺基轉(zhuǎn)移酶也能夠硫酸化香草酸。這也是一種可以在微生物細(xì)胞工廠中生產(chǎn)并具有市場潛力的產(chǎn)品。

“從科學(xué)的角度來看，能夠在微生物細(xì)胞工廠中生產(chǎn)硫酸化的酚類化合物是很了不起的，但是它也可能對社會產(chǎn)生影響，因?yàn)檫@些分子在生物化學(xué)，營養(yǎng)保健品甚至藥物中都有應(yīng)用。”該研究是新成立的公司Cysbio的硫酸化技術(shù)研發(fā)總監(jiān)Christian Bille Jendresen，該公司從DTU的諾和諾德基金會生物可持續(xù)發(fā)展中心中分離出來。

他說：“我們可以創(chuàng)造出各種有趣的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)將以不同的方式進(jìn)入市場。”

因此，這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作使新型硫酸鹽生化試劑的生產(chǎn)成為可能，這將有可能在許多生物技術(shù)應(yīng)用中得到應(yīng)用。