近日，我校物质学院李健课题组在复杂天然产物体外生物全合成工作中取得了重要进展，首次利用无细胞合成生物学（Cell-free synthetic biology）实现了非核糖体多肽类抗生素缬氨霉素（Valinomycin）的体外生物全合成。相关成果以“Total in vitro biosynthesis of the nonribosomal macrolactone peptide valinomycin”为题，在合成生物学和代谢工程领域的国际知名学术期刊Metabolic Engineering上在线发表。
自然界生物体（如微生物和植物等）中存在非常丰富的天然产物，它们是临床药物比如抗生素药物的重要来源。近年来，超级耐药致病菌等的出现对人类健康产生了很大威胁，因此，从自然资源中发现和开发新的天然产物，用于治疗人类疾病具有十分重要的意义。传统的方法主要是从天然宿主（如植物）中直接提取天然产物，或者利用发酵的方法培养微生物宿主进行生产，但是这些方法的生产周期长、产量偏低、纯化困难。另外，由于大部分天然产物结构复杂，化学合成也极为困难。为此，李健课题组提出利用无细胞合成生物学策略来实现复杂天然产物的生物合成。
为了实现上述目标，研究人员选取具有抗菌、抗病毒和抗癌等活性的非核糖体多肽类抗生素缬氨霉素作为研究对象，利用无细胞蛋白合成和无细胞代谢工程等技术手段，实现了缬氨霉素合成基因簇（>19 kb）的体外活性表达（这是目前已报道的能够在无细胞体系中表达出的最长基因簇），并成功检测到终产物缬氨霉素。通过系统的优化策略，缬氨霉素的最大产量达到了30 mg/L 左右，这一产量也显著高于已报道的自然和异源宿主的产量。鉴于无细胞体系反应条件可控、反应速率快、产物产量高、无细胞毒害作用等优势，无细胞合成生物学将为天然产物药物的发现及合成提供了新途径。该方法具有高通量的特点，也将大大简化对未知（新）天然产物合成基因簇的研究和鉴定过程。
该论文的研究工作全部在上海科技大学完成，学校2019届本科毕业生校长奖获得者庄蕾和2018级硕士研究生黄曙惠为论文共同第一作者，李健为通讯作者，上科大为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市“浦江人才计划”以及上科大科研启动基金等项目的支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717620300641
图1：(A、B) 缬氨霉素生物合成酶催化合成缬氨霉素；(C) 无细胞生物合成缬氨霉素策略。
图2：系统优化提高缬氨霉素的无细胞生物合成产量