自然界的酶催化虽然高效，但其“食谱”有限。如何让微生物打破自然进化的枷锁，去合成那些非天然分子？近日，《Nature Communications》刊登了一项突破性工作，上海交通大学生命科学技术学院鲁洪中副教授团队与南京大学化学化工学院黄小强教授团队合作通过模块化整合微生物细胞工厂与非天然光生化催化，成功实现了高价值药物前体——D-高色氨酸（D-homotryptophan）的从头合成。

作者简介：

鲁洪中，上海交通大学长聘教轨副教授，独立PI，博导。长期从事于细胞代谢网络数字化建模和表征，并将最新的多维细胞代谢模型应用于菌株智能设计和生物大数据分析等前沿领域。相关成果相继发表于PNAS、Nat Commun、Mol Syst Biol等期刊。入选2022年上海市浦江人才计划(A类)。

黄小强，2021年起任南京大学化学生物学学科课题组长，研究方向聚焦光酶催化、电酶催化及人工酶设计等领域。其团队在《Nature》《Nature Catalysis》等期刊发表多篇论文，开发“焦磷酸硫胺素依赖酶”协同光/电催化新体系，实现手性药物分子的高效合成。主持科技部重点研发计划青年项目，入选国家青年人才计划（海外）。获教育部自然科学一等奖（2020）、全国黄大年式教师团队（2022）、达摩院青橙奖（2024）及科学探索奖（2025）。

文章创新点：

范式创新：首次实现了“非天然光催化”与“从头生物合成”的深度融合。

酶工程创新：赋予PLP依赖酶“非自然”的自由基催化功能。

工艺逻辑创新：巧妙解决“需氧发酵”与“厌氧光催化”的生理冲突。

代谢路线创新：重构高效的IAA内源供应系统。

微生物细胞工厂（MCFs）因其绿色、可持续、高选择性等优势，已成为合成高值化学品的重要平台。然而，天然酶的底物特异性限制了产物的结构多样性，难以满足药物开发、材料合成等领域对非天然氨基酸（ncAAs）的需求。近年来，光生物催化（photobiocatalysis）通过将光氧化还原与酶催化结合，拓展了酶的催化能力，尤其在C–C键构建和立体选择性合成方面展现出巨大潜力。然而，现有光生物催化系统仍面临三大难题：1. 酶纯化过程繁琐；2. 与微生物体内环境不兼容；3. 需要复杂的非天然底物前体。如何将光催化与微生物代谢网络真正“无缝整合”，仍是领域内的重大挑战。

为了解决上述冲突，研究团队设计了一个巧妙的“两阶段模块化工程”，将整个合成过程像生产线一样拆解：Module I：底物供应模块（需氧代谢）负责将廉价的葡萄糖“吃进去”，产出中间底物——吲哚-3-乙酸（IAA）。该模块策略是在大肠杆菌中重构代谢支路。因为IAA的生产需要高效的氧气参与发酵。Module II：光酶催化模块（厌氧合成）负责接收Module I产生的IAA，在蓝光激发下，将其与L-丝氨酸偶联，产出最终产物D-高色氨酸。该模块策略是利用全细胞催化体系，在厌氧环境下避免氧气干扰自由基反应。这种“先有氧发酵底物、后厌氧全细胞光催化”的思路，巧妙地化解了生物生长与新化学反应之间的矛盾。

进化“非天然光酶”：让TrpB超越自然

研究人员通过整合磷酸吡哆醛（PLP）依赖的色氨酸合酶β亚基变体（PfTrpB7E6）与光氧化还原催化体系，成功开发出一种合成D-高色氨酸的新型非天然光生化催化路径。该反应利用蓝光驱动罗丹明B（RhB）产生亲核性吲哚自由基，并使其在酶活性中心内精准捕捉由L-丝氨酸形成的亲电性氨基丙烯酸酯中间体，通过单电子转移机制实现了高立体选择性（96:4 e.r.）和高产率（66%）的C-C键成键。通过自由基捕获实验和光谱表征确证了反应机制，并结合计算模拟揭示了PfTrpB7E6凭借更宽阔的底物进入通道显著降低了非天然自由基进入活性中心的位阻，从而表现出优良的催化性能。该体系不仅在实验规模上表现稳健，还展现了广阔的底物适用性，能够兼容多种取代基的IAA衍生物及L-苏氨酸，为后续体内模块化整合奠定了坚实的生化基础。

代谢流重定向：打造超强IAA底物工厂

为了实现关键前体吲哚-3-乙酸（IAA）的高效自给，研究团队通过删除大肠杆菌（E.coli MG1655）竞争支路基因（pheA, tyrA, tnaA）、解除色氨酸合酶的反馈抑制（TrpES40F）以及利用生长响应启动子Pflic动态补偿酪氨酸辅助营养，成功将大肠杆菌改造为高产L-色氨酸的底盘。在此基础上，研究者引入了外源吲哚-3-乙酰胺（IAM）代谢途径，并针对限速步骤采用了多拷贝染色体集成策略，在四个中性位点强化了水解酶 tms2 的表达，从而有效克服了代谢瓶颈并减轻了中间体毒性；该模块化工程最终在3L生物反应器补料分批培养中实现了产率高达906.13 mg/L的IAA稳健合成，不仅彻底摆脱了对昂贵外源底物的依赖，也为后续光酶偶联阶段提供了充足且可持续的原料保障。

全系统整合：1+1>2的闭环

在全系统整合阶段，研究团队通过将模块I的需氧发酵与模块II的厌氧全细胞光催化在时空上进行巧妙耦合，成功构建了从葡萄糖出发从头合成D-高色氨酸的完整生物制造闭环。利用经过浓缩及pH调节的IAA发酵产物作为底物，在严格的厌氧光催化体系中，该系统在优化后的M9培养基中实现了高达299.75 mg/L的目标产物滴度，每克葡萄糖可转化为1.0 mg产品。该整合平台不仅在100 mL扩大化规模实验中表现出稳定的生产潜力（达到177.6 mg/L），还通过暗控对照实验证实了光能驱动的必要性，有效化解了生物初级代谢与自由基化学反应之间的生理环境冲突，为未来构建高效、可持续的“光电驱动”非天然产物生物炼制平台提供了示范性框架。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74128-3

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