前期課題組負(fù)責(zé)人利用基因組挖掘技術(shù)從鏈霉菌NRRL B-24309培養(yǎng)粗提物中分離出兩種膦酸類小分子抗生素,argolaphos A和B。兩種化合物均由氨基甲基膦酸鹽(AMP)與非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸N5-羥基精氨酸形成肽鍵,而氨基甲基膦酸鹽(AMP)可以成為合成草甘膦的前體小分子。課題組利用異源表達(dá)及生化方法鑒定了生物合成AMP所需要的6個(gè)結(jié)構(gòu)基因(AlpG-L),并研究了其生物合成途徑(圖1),為合成生物學(xué)工程化改造提供基礎(chǔ)(圖2)。

圖1  Argolaphos生物合成基因簇

圖2  利用合成生物學(xué)策略從無機(jī)磷酸鹽生產(chǎn)草甘膦的工作流程

之后課題組使用啟動(dòng)子-絕緣子-RBS策略來提高在Streptomyces lividans的AMP產(chǎn)量,發(fā)酵濃度達(dá)到52 mg/L,比原始菌株提高了500倍(圖3)。

圖3  使用啟動(dòng)子-絕緣子-RBS策略提高S. lividans中AMP的產(chǎn)量

此外,課題組開發(fā)了一種將AMP轉(zhuǎn)化為草甘膦的高效實(shí)用的化學(xué)工藝。課題組嘗試了兩種合成路線(圖4),最終發(fā)現(xiàn)在水中進(jìn)行還原胺化能高效合成草甘膦。在室溫下使用α-pic-BH3在H2O和AcOH中完成AMP與乙醛酸的還原胺化1 h,草甘膦以高產(chǎn)率獲得。以更大的規(guī)模(1 g)進(jìn)行相同的反應(yīng),并以相似的產(chǎn)率獲得草甘膦。

圖4  從AMP化學(xué)合成草甘膦的兩種路線

綜上所述,該課題組最終研制出了草甘膦生產(chǎn)中一種綠色驅(qū)動(dòng)的替代方案。福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生初雷霞、塔里木大學(xué)的羅曉霞老師及福建農(nóng)林大學(xué)碩士生朱陶婷為共同第一作者,福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高江濤教授為通訊作者,上海交通大學(xué)的鄧子新院士及塔里木大學(xué)的張利莉老師參與了該項(xiàng)工作,該研究成果得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31870050)、科技部合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFA0910502)以及閩江學(xué)者項(xiàng)目的資助。