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[前沿资讯 ] 迭代重组酶技术在千碱基到百万碱基尺度上高效和精确的基因组工程 进入全文
科学网
迭代重组酶技术在千碱基到百万碱基尺度上高效和精确的基因组工程，这一成果由中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞小组经过不懈努力而取得。2025年8月4日出版的《细胞》发表了这项成果。 研究提出了可编程染色体工程（PCE）和RePCE，两种可编程染色体编辑系统，可以在植物和人类细胞中进行无疤痕的千碱基到百万碱基的DNA操作。通过高通量工程，研究团队获得了可逆性降低10倍的Lox位点，并应用AI辅助重组酶工程方法（AiCErec）生成了重组效率为野生型3.5倍的Cre变体。结合Re-pegRNA介导的无疤痕策略进一步提高了编辑精度，在染色体水平上允许无疤痕插入、缺失、替换、倒位和易位。主要应用包括315 kb的水稻抗除草剂反转，无疤痕染色体，以及12 Mb的人类疾病相关位点反转。这些进展显著拓宽了基因组编辑在分子育种、治疗开发和合成生物学方面的应用范围。 据介绍，基因组编辑技术在实现高等生物的精确、大规模DNA操作方面面临挑战，包括低效率、有限的编辑规模和类型，以及保留不需要的序列，如重组位点（“疤痕”）。
[学术文献 ] Chemoenzymatic Synthesis and Protein Engineering Enable Efficient, Scalable Production of Teleocidin Derivatives 进入全文
ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION
Monoterpenoid indole alkaloids (MIAs), a class of bioactive natural products, are highly valued in drug development for their unique pharmacological activities. Teleocidins, known for activating protein kinase C (PKC), are particularly promising but challenging to synthesize due to their structural complexity. Traditional methods often rely on heavy metals and yield low amounts, while biosynthetic approaches face efficiency issues. Our study developed an efficient chemoenzymatic route to produce 13 teleocidin B compounds and derivatives at scale. To overcome enzymatic reaction bottlenecks, we engineered the critical enzyme TleB by fusing a reductase module to create a self-sufficient P450 system, boosting indolactam V production to 868.8 mg L−1. Additionally, we established a dual-cell factory co-expressing engineered hMAT2A-TleD and TleB/TleC enzymes, enabling the first fully enzymatic synthesis of teleocidin B isomers with a total yield of 714.7 mg L−1. Chemical modifications further expanded the library with five novel indolactam V and two teleocidin A1 derivatives. Fermentation confirmed the recombinant Escherichia coli system's scalability, producing 430 mg indolactam V, 170 mg teleocidin A1, and 300 mg teleocidin B isomers. This work not only establishes a sustainable platform for teleocidin synthesis but also addresses efficiency and scalability challenges in complex natural product synthesis, paving the way for practical applications of bioactive compounds.
[前沿资讯 ] 植物苯甲酰辅酶A三步生物合成水杨酸 进入全文
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四川大学张跃林课题组研制了植物苯甲酰辅酶A三步合成水杨酸的研究。2025年7月23日出版的《自然》杂志发表了这项成果。 课题组人员报道了在种子植物中SA生物合成的一个保守途径的鉴定。以本拟烟（Nicotiana benthamiana）为模型，确定了SA生物合成的三个关键步骤。首先，苯甲酰辅酶A （CoA）与苯甲酰辅酶A结合：苯甲酰醇苯甲酰转移酶（BEBT）生成苯甲酰，然后苯甲酰氧化酶（BBO）将苯甲酰氧化酶羟基化，生成水杨酸苄酯。随后水杨酸苄酯水解酶（BSH）裂解水杨酸苄酯生成SA。值得注意的是，编码这三种酶的基因存在于广泛的植物中，来自柳树、杨树和大豆等双科植物以及单子叶水稻的基因可以补充N. benthamiana缺乏SA突变体的表型。 此外，对水稻OsBEBT、OsBBO和OsBSH基因的敲除分析表明，这三个基因是水稻SA生物合成所必需的。他们的发现表明SA生物合成途径在植物中是高度保守的。 研究人员表示，水杨酸（SA）是柳树皮中的活性成分，几个世纪以来，柳树皮一直以抗炎和缓解疼痛为主题。阿司匹林，SA的衍生物，是人类历史上主题最广泛的药物。SA还作为一种关键的植物防御激素。虽然已知模式植物拟南芥（arabidopsis）中的藻酸盐可以产生SA，但在芸苔科以外的植物科中SA是如何生物合成的尚不清楚。
[前沿资讯 ] 4亿年来代谢在形成酶结构中的作用 进入全文
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德国柏林夏里特大学Markus Ralser团队在研究中取得进展。他们的研究开发出了4亿年来代谢在形成酶结构中的作用。该研究于2025年7月9日发表于国际一流学术期刊《自然》杂志上。 研究人员分析了11269种预测和实验确定的酶结构，这些酶结构催化225种途径的361种代谢反应，以研究酵母亚门4亿年的代谢进化。通过将结构保守区域的序列分化与酶的各种代谢特性联系起来，课题组揭示了代谢在多个尺度上塑造了结构进化，从物种范围的代谢特化到网络组织和酶的分子特性。虽然正选择残基分布在各种结构元件中，但酶的进化受到反应机制、与金属离子和抑制剂的相互作用、代谢通量可变性和生物合成成本的限制。 他们的发现揭示了结构进化的层次模式，其中结构背景决定了氨基酸取代率，表面残基进化最快，小分子结合位点在没有成本优化的选择约束下进化。通过将结构生物学与进化基因组学相结合，课题组研究人员建立了一个模型，在这个模型中，酶的进化本质上是由催化功能控制的，并由代谢生态位、网络结构、成本和分子相互作用形成。
[前沿资讯 ] 中科院天津工业生物技术研究所等在高效低温脂肪酶的计算设计与理性改造中取得重要进展 进入全文
中国科学院天津工业生物技术研究所
来源于嗜冷生物的低温酶是自然界中高度进化的酶类之一，在室温及以下温度通常比中温或嗜热同源酶具有更高的催化效率，但其对热敏感，易失去活性。因此，在保持其冷适应特性的同时，通过理性设计进一步提高其催化性能、扩大其温度适应范围具有重要意义。然而，揭示低温酶的温度适应性机制仍是酶学研究领域的重大挑战，基于机理开展低温酶的理性改造也尚无成功先例。 中国科学院天津工业生物技术研究所盛翔研究员带领的蛋白计算模拟与设计研究团队与瑞典乌普萨拉大学的Johan Åqvist教授团队合作，以一组序列高度同源、三维结构几乎一致的低温脂肪酶（pLipA）和中温脂肪酶（mLipA）为研究对象，采用经验价键理论/分子动力学（EVB/MD）模拟等计算模拟与实验验证相结合的方法，通过对不同温度下两种脂肪酶催化机理的深入研究，阐明了低温脂肪酶温度、能量与结构之间的关系，确定了活性中心氨基酸残基是pLipA实现冷适应的核心结构因素，并获得了在整个温度范围内的活性均提高的单点突变体mLipA-I12M。通过采用在高温下破坏低温脂肪酶非活性状态的构象稳定性的策略，即通过构建活性中心远端残基的离子相互作用，稳定了催化三联体具有催化活性的构象，构建了pLipA的最适反应温度提高、活性增强的突变体3mut。该研究首次通过EVB/MD模拟揭示了低温脂肪酶的冷适应机制，指导开展了蛋白的理性改造，实现了低温脂肪酶及中温脂肪酶在宽温域高活性的高效创制，为其他低温酶的理性设计提供了理论指导。 该工作得到了国家重点研发计划、合成生物学海河实验室和瑞典研究委员会等项目的支持。相关成果发表于ACS Catalysis期刊，天津工业生物技术研究所博士研究生于珊珊为论文共同第一作者，盛翔研究员为共同通讯作者。
[前沿资讯 ] 中科院先进院科研团队合作开发非天然核酸（XNA）固相酶促合成平台 进入全文
中国科学院深圳先进技术研究院
近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所梅辉副研究员团队联合华南理工大学生物科学与工程学院陈庭坚教授团队在酶促非天然核酸（XNA）的高效合成技术开发上取得新突破，相关成果发表在国际顶级期刊Nucleic Acids Research杂志上，题目为“A Solid-Phase Enzymatic Synthesis Platform for the Facile Production of 2'-Fluoroarabinonucleic Acid (FANA) and Chimeric XNA Oligonucleotides Using an Evolved XNA Polymerase”。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所梅辉副研究员和华南理工大学生物科学与工程学院陈庭坚教授为共同通讯作者，华南理工大学博士生张彬良和副研究员杜宇辉为论文的共同第一作者。 非天然核酸（XNA），如2'-氟代阿拉伯核酸（FANA），凭借其独特的稳定性与功能性，在生物医药、合成生物学及纳米技术等领域展现出广阔的应用前景。然而，其广泛应用受限于现有合成方法的瓶颈。传统的固相化学合成法存在效率低、成本高、环境污染大等问题。近年来，包括陈庭坚教授团队在内的多个研究团队已经对不同家族的DNA聚合酶和RNA聚合酶进行了分子改造，获得了能够识别并加工多种非天然底物的XNA聚合酶突变株，并基于此开发了一系列非天然寡核苷酸的酶法制备策略。然而，现有的酶法合成技术则常面临DNA引物和模板去除困难、产物纯度不佳等挑战。因此，开发高效、绿色的XNA合成技术是领域内亟待解决的难题。 在本工作中，团队首先系统评估了四种实验室进化的SF变体（SFM4-3、SFM4-6、SFM4-9和SFM5-7）以DNA为模板合成不同长度FANA的催化活性。通过稳态动力学实验和测序分析，进一步表征了活性最优突变株SFM5-7合成FANA的催化效率与保真度，证实其具备卓越的合成性能。上述结果及团队前期研究结果表明，SFM5-7能够高效、高保真地催化包括FANA在内的多种XNA的合成。基于此，课题组创新性地开发了固相酶促XNA寡核苷酸合成（SPEXOS）平台。该平台的核心思路是结合核糖核苷酸插入与碱性裂解步骤：首先利用SFM5-7在自合成引发发夹DNA模板的3'端精确引入一个核糖核苷酸；随后将该模板固定于磁珠上，利用SFM5-7在固相表面高效合成目标XNA链（如FANA、2'-F-RNA、2'-OMe-RNA等）；最后，利用氢氧化钠特异性裂解核糖核苷酸3'端的磷酸二酯键，温和释放高纯度的XNA产物。值得一提的是，通过T4多聚核苷酸激酶（T4 PNK）处理去除模板末端的磷酸基团，可实现模板的再生与循环利用（经2-4轮循环，产物收率仍可达初始轮的69-88%），显著提高了XNA合成的可持续性和经济性。 随后，团队对该平台的普适性进行了进一步验证。该平台不仅成功高效合成了纯合的FANA、2'-F-RNA、2'-OMe-RNA，更实现了2'-F-RNA/2'-OMe-RNA、FANA/DNA、FANA/2'-F-RNA、FANA/2'-F-RNA/2'-OMe-RNA、FANA/DNA/2'-OMe-RNA和FANA/DNA/2'-F-RNA/2'-OMe-RNA等多种复杂嵌合XNA的可控合成，这些产物大多难以通过依赖DNA酶的传统策略获得。此外，利用该平台，团队还实现了5'端单标记（如EdU或dCAm标记）和双标记（EdU和dCAm标记）的FANA的高效酶法制备，并在此基础上实现了FANA的各种5'端功能化，为功能化XNA的开发与应用提供了新工具。接着，团队还利用该平台成功制备出了具有催化活性的FANA核酶（FANAzyme），充分证实了该平台生产功能性XNA分子的能力。 该研究开发的SPEXOS平台为XNA的绿色、高效、可持续生产及5′末端标记和功能化提供了新策略。它有效解决了现有技术的关键瓶颈，避免了昂贵有毒试剂的使用，无需复杂的模板设计，产物纯度高，操作简便，且模板可循环利用。该平台能够灵活合成纯合XNA、嵌合XNA及其标记产物，为非天然核酸（XNA）在生物医药（如高效制备siXNA和XNA适配体药物），分子诊断（如开发高稳定性XNA探针和生物传感器），合成生物学（如开发各类XNA功能元件）和生物材料（如高效制备各类XNA纳米结构器件）等领域的全面应用提供了必需的工具和技术平台。
