在異源生物合成天然產(chǎn)物的過程中，許多高價值化合物（如生物堿、酚酸等）的合成依賴S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作為甲基供體完成甲基化修飾。然而，細胞內(nèi)SAM水平受到嚴格的穩(wěn)態(tài)調(diào)控，外源甲基化途徑的引入往往導(dǎo)致SAM耗竭，使甲基化步驟成為限速環(huán)節(jié)。以往研究多集中于優(yōu)化SAM循環(huán)的再生效率，卻忽略了SAM從頭合成的總通量限制，尤其是硫元素的同化過程長期未被重視。

近日，天津大學(xué)元英進院士與周雍進研究員團隊在《Trends in Biotechnology》發(fā)表題為《Sulfur assimilation determines S-adenosyl-L-methionine flux for enhancing methylation efficiency in heterologous biosynthesis》的研究論文。該工作通過轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組與代謝組聯(lián)合分析，系統(tǒng)揭示了硫同化而非C4骨架合成才是決定SAM通量的關(guān)鍵限制步驟，并驗證了該策略在兩種甲基化產(chǎn)物生產(chǎn)中的普適性。

研究團隊首先在不同釀酒酵母背景菌株中引入bikavarin的生物合成途徑，發(fā)現(xiàn)各菌株的bikavarin產(chǎn)率差異顯著。高產(chǎn)菌株YJ-06的胞內(nèi)SAM殘留量比低產(chǎn)菌株YJ-04高出5.23倍，而甲基轉(zhuǎn)移酶Bik3p的表達水平并無明顯差異。這表明甲基化效率的限制因素并非酶的表達量，而是SAM的供給能力，為后續(xù)尋找SAM通量瓶頸提供了直接依據(jù)。

為定位SAM供給的關(guān)鍵限制點，團隊對YJ-06和YJ-04進行了轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析。結(jié)果顯示，硫代謝通路在兩組學(xué)中均為最顯著富集通路。硫同化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)2.25至6.26倍，蛋白水平上調(diào)1.36至2.27倍；而C4骨架合成通路的多數(shù)基因和蛋白變化不顯著。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了以往認為C4骨架是主要限制因素的認知。

代謝物分析進一步支持上述結(jié)論。低產(chǎn)菌YJ-04中C4骨架前體O-乙酰-L-高絲氨酸反而出現(xiàn)顯著積累，說明該通路并未限制SAM合成。相反，轉(zhuǎn)硫途徑的關(guān)鍵中間產(chǎn)物L(fēng)-胱硫醚在高產(chǎn)菌YJ-06中降低了98%，表明轉(zhuǎn)硫途徑對SAM的貢獻微乎其微。這些數(shù)據(jù)一致指向硫同化才是SAM從頭合成的決定性步驟。

通過對18株進化差異顯著的釀酒酵母進行硫同化蛋白序列比對，團隊發(fā)現(xiàn)MET3、MET14和MET16編碼的蛋白序列高度保守，在89%的菌株中完全一致；而MET10和MET5則呈現(xiàn)多種等位基因變異。這種進化上的保守性暗示前三個基因在核心代謝中承擔(dān)更關(guān)鍵、更不可替代的功能，成為優(yōu)先工程改造靶點。

分別過表達MET3、MET14和MET16后，bikavarin的產(chǎn)率分別提升62%、87%和63%，胞內(nèi)SAM殘留量提升1.96至2.64倍，SAM代謝通量提升51.7%至68.9%。相比之下，過表達MET10或MET5的效果有限。在另一種甲基化產(chǎn)物阿魏酸的生產(chǎn)中，過表達這三個基因同樣顯著提高了甲基化效率，驗證了該策略的普適性。

最終，工程菌株ZXC401在搖瓶水平實現(xiàn)bikavarin產(chǎn)量361.4 mg/L，較此前報道提高78%；在已強化SAM循環(huán)的底盤菌株中進一步過表達MET3等基因，阿魏酸產(chǎn)量達到552.1 mg/L，提高31%。該研究表明，增強硫酸鹽還原第一步與優(yōu)化SAM循環(huán)具有協(xié)同效應(yīng)，為甲基化天然產(chǎn)物的高效合成提供了全新工程范式。

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