近日，药学院厦门市中药生物工程重点实验室科研团队迟国祥博士与厦门大学何宁教授、李清彪教授等在食品领域权威期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（中科院1区、TOP期刊）以厦门医学院为第一单位发表题为“Decoding Iterative Chain Elongation: Mechanistic and Structural Insights into Schizochytrium-Sourced Ketosynthase-Chain Length Factor”的研究性论文（DOI: 10.1021/acs.jafc.5c04917）。该项工作重点对裂殖壶菌类聚酮合酶途径中酮酰基合成酶-链长因子（KS-CLF）结构域的底物识别及分子催化机制进行研究，为真核微藻及海洋细菌等产油微生物Omega-3功能性脂肪酸的生物合成提供全新的蛋白质工程改造思路。

图文摘要

膳食中摄入Omega-3长链多不饱和脂肪酸（ω-3 LC-PUFAs），尤其是具有代表性的二十二碳六烯酸（DHA）和二十碳五烯酸（EPA），具有多种健康益处。目前，Omega-3 LC-PUFAs的市场来源仍然是深海鱼油。裂殖壶菌作为一种工业化生产ω-3 LC-PUFAs的重要微生物，因其高生物量、高油脂含量以及易于培养的特性而受广泛关注。裂殖壶菌合成LC-PUFAs主要依赖厌氧类聚酮合酶途径，该途径中KS-CLF结构域的催化效率直接决定了最终产物的链长与产量。然而，裂殖壶菌作为非模式真核生物，其遗传操作较为复杂，对类聚酮合酶结构域的理解和改造有限，这成为提升产量的主要瓶颈。此外，传统蛋白质工程技术在筛选有益突变体时存在效率低下、成本高昂、周期冗长等问题。同时，类聚酮合酶结构域的底物识别、催化机制和链长调控机制复杂，难以通过常规手段全面解析和精准设计。本研究团队通过创新性的底物转运通道定位与设计策略，结合多种模拟计算、突变筛选及生化反应验证等方法，从分子水平上阐明了KS-CLF结构域的底物识别、链长调控及其分子催化机制。在此基础上，团队挖掘并解析了相关结构基序，并据此进行了优化设计，从而显著提升了裂殖壶菌ω-3 LC-PUFAs的生物合成效率。

图1 PUFAs合酶结构域组成及裂殖壶菌中ω-3 LC-PUFAs的生物合成途径

图2 KS-CLF结构域催化机制及底物识别的结构分析

图3 基于底物转运通道分析筛选KS-CLF有益突变体

图4 突变增强KS-CLF催化活性的内在机制

图5 裂殖壶菌突变菌株的生长、油脂积累及脂肪酸组分分析

团队研究发现，KS-CLF结构域对不同长度的酰基底物具有选择性，并对C18-CoA表现出更高的偏好性。该结构域主要通过保守的C196-H332-H367（KS）和N654-S776-D831（CLF）催化三联体实现酰基底物的延伸。进一步研究确定了影响底物识别、催化和释放反应的关键界面位点K302、R539、R541和R636。通过对KS-CLF的底物转运通道及关键疏水性氨基酸进行定位与设计，发现F235W突变体对酰基底物的催化活性显著提高。结构分析表明，F235W突变体催化活性的提升与其底物转运通道的延长和空间扩大密切相关。最终，将筛选的工程菌株F235W、F235W-G653A和F235W-Y658A应用于LC-PUFAs的生物合成，显著提升了裂殖壶菌LC-PUFAs的生物合成效率。该研究基于计算模拟指导的酶改造设计策略，为阐明裂殖壶菌类聚酮合酶结构域分子调控机制提供有力的技术支撑，并为后续改良真核微藻及海洋细菌等产油微生物的PUFAs积累提供理论指导。

此项工作由厦门医学院药学院厦门市中药生物工程重点实验室和厦门大学化学化工学院合作完成，体现了我校在基础研究合作与生物发酵交叉学科方面的创新能力与科研实力。论文中相关研究工作得到国家重点研发计划（No. 2024YFF1106400）和福建省科技创新联合资金（No.2024Y9694）的资助，药学院洪璇教授和张亚楠副教授参与了课题研究。

第一作者/通讯作者

迟国祥，厦门医学院，药学院，讲师，主要研究方向：纳米酶/酶改造、微生物发酵、多酸化学等研究方向，致力于生物医药、营养健康等领域。

通讯作者

李清彪，厦门大学，教授，主要研究方向：贵金属纳米颗粒及其催化剂的生物还原制备技术；重金属的生物吸附、高浓度有机废水处理以及固体废弃物的资源化处理技术；微生物培养与工业微生物产品的发酵技术；天然产物中活性物质的分离纯化。

何宁，厦门大学，教授，主要研究方向：微生物代谢途径研究与代谢调控、絮凝基因探索与生物絮凝剂高产工程菌株的构建、微生物产品的发酵技术等领域。