煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺，輔酶I，維生素B3的活性形式）是細胞必需的基本生命分子之一。NAD⁺和其相應的還原形態(tài)NADH作為質(zhì)子的受體或供體參與各種氧化還原過程（如：糖酵解、檸檬酸循環(huán)、氧化磷酸化等）。另外，在細胞的生長、分化、調(diào)節(jié)等非氧化還原過程中，NAD^＋作為反應底物參與核酸、蛋白質(zhì)等大分子的修飾，如NAD⁺參與的DNA和RNA修飾、NAD⁺依賴的組蛋白去乙?；AD⁺依賴的泛素化等。NAD⁺由腺苷一磷酸（AMP）和煙酰胺單核苷酸（NMN）組成。在生物體內(nèi)，NAD⁺的合成包括從頭合成途徑和利用煙酰胺類前體的補救合成途徑。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)兩條NAD⁺的從頭合成途徑：天冬氨酸途徑（Pathway I）和色氨酸-犬尿酸途徑（Pathway II）。

中國科學院微生物研究所研究員陳義華課題組在鏈霉菌次級代謝產(chǎn)物保羅霉素生物合成的啟發(fā)下，設計創(chuàng)建了從分支酸到NAD⁺的人工合成途徑—C3N途徑。在C3N途徑中，研究人員利用參與吩嗪類化合物（PhzE、PhzD）和保羅霉素（Pau20）生物合成的酶與芳香族化合物降解酶（NbaC）完成了從分支酸到喹啉酸的轉(zhuǎn)化；進一步利用NAD⁺合成途徑中的后三步反應，實現(xiàn)了NAD⁺分子的合成。為驗證這一途徑，研究人員將C3N途徑構(gòu)建到NAD⁺從頭合成缺陷的大腸桿菌中，證明C3N途徑可以獨立地高效合成NAD⁺，保障大腸桿菌的正常生長。

人工設計的C3N途徑突破了細胞固有的代謝網(wǎng)絡調(diào)控限制，解除了NAD⁺與蛋白質(zhì)合成間的耦聯(lián)，經(jīng)過一系列優(yōu)化后，在大腸桿菌中實現(xiàn)了極高水平的NAD(H)積累。隨后，研究人員以重要的藥物中間體2,5-二甲基吡嗪和手性胺的制備為例，證明了在高水平的NAD(H)底盤細胞中，NAD(H)依賴的氧化還原酶的反應效率得到顯著提升，C3N途徑可應用于高值化合物的高效生產(chǎn)等領(lǐng)域。由于C3N途徑的前體分支酸廣泛分布于細菌、古菌、真菌和植物中，這一途徑在理論上具有廣泛應用潛力。人工設計的C3N途徑是利用合成生物學手段探索NAD⁺從頭合成問題的一個解答，為研究NAD⁺這類重要分子合成的基礎(chǔ)科學問題提供了新思路，并將促進涉及NAD(H)的應用研究。

相關(guān)研究成果以Construction of an alternative NAD+ de novo biosynthesis pathway為題，在線發(fā)表在Advanced Science上。陳義華組博士生丁勇和李心利為論文并列第一作者，陳義華為論文通訊作者。加拿大勞里埃大學教授Horsman、微生物所研究員陶勇、吳邊提供了指導和幫助。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委員會杰出青年基金和面上項目的資助。

論文鏈接

圖1.NAD⁺的人工合成途徑（C3N途徑）與自然界中NAD⁺的從頭合成途徑

圖2.基于C3N途徑構(gòu)建的高效NAD(H)依賴型細胞工廠示意圖

來源：中科院