江南大学未来食品科学中心陈坚院士团队赵鑫锐副研究员课题组：P450酶的高效表达及其在天然产物中的应用

P450酶的高效表达及其在天然产物中的应用

近日，Critical Reviews in Biotechnology发表了江南大学未来食品科学中心陈坚院士团队赵鑫锐副研究员课题组的综述论文“Efficientheterologous expression of cytochrome P450 enzymes in microorganisms for the biosynthesis of natural products” (Hu, et al. Crit Rev Biotechnol, 2023, 43(2):227-241.)。江南大学2018级博士生胡宝东为论文第一作者，赵鑫锐副研究员和堵国成教授为论文通讯作者，论文作者还包括本科生王恩道、周景文教授、李江华教授及陈坚教授。

天然产物是动植物和微生物等生物产生的有机化合物的统称，其数量庞大，结构丰富且具有广泛的生物活性，包括蛋白质、糖类、脂肪酸类、萜类、多肽类和生物碱等多种类型。天然产物不仅为药物研发提供了丰富的前体来源，同时也为化合物的修饰改造提供了重要的骨架来源。细胞色素P450酶(P450s, CYP)是一类以血红素为辅基的金属酶，在天然产物合成的后修饰阶段可以特异性选择催化天然产物的官能团反应（如羟基化，环氧化等），拓宽了天然产物的结构复杂性和生物学功能多样性。由于P450酶具有微生物异源表达的优势，已经成为天然产物生物合成的有力工具。

随着系统生物学的快速发展，许多新型P450酶已被挖掘并用于天然产物的生物合成，但是应用P450酶在微生物宿主中高效合成天然产物仍存在一定的限制。原因包括P450酶在微生物宿主中异源表达效果不佳；参与生物合成途径的P450酶具有高底物特异性，对非天然底物催化效率低；P450酶的催化反应需要适配的辅酶以及充足的辅因子。随着酶工程、代谢工程、合成生物学等新型改造技术的快速发展，多种复合策略已被应用到微生物宿主高效表达P450酶合成天然产物。本文首先介绍了P450酶的结构、催化机制和分类（图1）；其次，从挖掘新型P450酶（图2）、酶工程改造P450酶（图3）、提高P450酶微生物宿主的异源表达（图4）和构建高效全细胞催化体系（图5）四个方面介绍应用P450酶提高天然产物生物合成的最新研究进展；最后，展望了应用P450酶进一步提高增强天然产物生物合成的可用策略。

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目（2021YFC2101400）、国家自然科学基金（31900067）、国家轻工业技术与工程一流学科（LITE2018-08）和中央高校基本科研专项资金（JUSRP52021）等项目的资助。
 

图2 新型P450酶的挖掘及应用

图3 改造P450酶增强天然产物的生物合成

图4 微生物宿主高效表达P450酶的策略

图5 应用P450酶全细胞高效催化体系合成天然产物