图1 本研究提出的乙酰丙酮生物合成途径（实线代表合成途径，虚线代表降解途径）
约翰逊不动杆菌体内存在一种乙酰丙酮裂解酶（Dke1），该菌利用Dke1可以将乙酰丙酮降解为乙酸和甲基乙二醛。受此启发，研究人员设计了以葡萄糖为原料的乙酰丙酮生物合成途径（图1）。通过在大肠杆菌体内引入关键酶、改变外部环境等措施，成功扭转了降解过程，实现了乙酰丙酮的从头生物合成，诱导24h后产量为32mg/L。为了进一步提高产量，通过与已知或推测具有乙酰丙酮裂解酶功能的蛋白进行比较，研究人员深入分析了Dke1的氨基酸序列和三维结构，确定了可能会影响Dke1催化活性的氨基酸位点，对这些潜在位点进行定点突变后获得了一系列突变体，双突变株K15Q/A60D的催化活性比野生型提高了3.8倍。在双突变株催化下，乙酰丙酮在摇瓶水平的产量为116mg/L，5L发酵罐水平的产量达到556mg/L。利用结构模拟和分子对接，发现双突变酶催化活性中心的通路体积有显著增加，进一步揭示了突变引起酶活性提升的可能机制。除了乙酰丙酮，Dke1被证明可作用于2,4-辛二酮、2-乙酰基环己酮、3,5-二庚酮等多种β-二羰基化合物，本研究的结果也为这一类物质的生物合成提供了可能。
图2 突变前后Dke1的结构变化示意图（a为野生型，b为突变型）
相关工作已于近日发表于Biotechnology for Biofuels期刊，并申请了多个发明专利。本研究成果是目前公开的乙酰丙酮生物合成的首次报道。值得一提的是，4位审稿人在审稿意见中分别用“a novel idea ”、“promising novel work”、“sufficiently novel to warrant publication”、“the acetylacetone is produced biologically for the first time which is meaningful for its green biological manufacturing ”等评语强调了本研究的创新性和重要性。
该工作获得了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目的支持（文/图 冯新军）。
Yifei Zhou, Yamei Ding, Wenjie Gao, Jichao Wang, Xiutao Liu, Mo Xian, Xinjun Feng*, Guang Zhao*. Biosynthesis of acetylacetone inspired by its biodegradation. Biotechnology for Biofuels, 2020, 13:88.
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-020-01725-9
赵广，冯新军，咸漠，周怡斐，高文杰. 一种生产乙酰丙酮的重组菌及其构建方法和应用。申请号：201810865467.0
咸漠，冯新军，周怡斐，赵广. 一种胞外酶反应生成乙酰丙酮的方法。申请号：201910464183.5
冯新军，周怡斐，咸漠，赵广. 一种提高乙酰丙酮合成效率的乙酰丙酮裂解酶突变体、核苷酸、表达载体、重组菌及应用。申请号：202010221306.5
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