近日，我所生物质高效转化研究组（1816组）赵宗保研究员团队在非天然辅酶研究领域取得新进展，研制出烟酰胺胞嘧啶二核苷酸（NCD）合成酶和NCD自给型微生物细胞，并成功用于构建高选择性物质代谢途径。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）是细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，赵宗保团队致力于基于非天然辅酶的合成生物学研究。前期工作中，该团队设计合成了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，由于微生物难以从环境中有效摄取NCD，因此亟需解决细胞内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和腺苷三磷酸（ATP）的结合口袋，获得偏好烟酰胺单核苷酸（NMN）和胞苷三磷酸（CTP）的突变体，即NCD合成酶（NcdS）。该团队在大肠杆菌中表达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，达到5.0mM，获得NCD自给型平台菌株。此外，该团队还通过表达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。该工作为细胞内合成非天然辅酶奠定了基础，为后续合成生物学和化学生物学研究提供了参考。
相关研究成果以题为“Creating Enzymes and Self-sufficient Cells for Biosynthesis of the Non-natural Cofactor Nicotinamide Cytosine Dinucleotide”发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所1816组助理研究员王雪颖博士。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和我所创新基金等项目的资助。（文/图 王雪颖）
