模塊化聚酮合酶(PKSs)是生物合成復雜抗生素如紅霉素和雷帕霉素的多結構域流水線酶。PKSs的模塊化特征使其成為通過組合生物合成定制設計聚酮化合物的理想平臺。然而，工程雜交PKS途徑通常表現出酶活性的嚴重喪失，并且PKS重編程的一般原則尚未建立。

2025年4月18日，西湖大學張驪駻團隊在Nature Chemical Biology（IF=13）在線發表題為“Plug-and-play engineering of modular polyketide synthases”的研究論文，該研究提出了一個廣泛適用的策略來設計混合PKSs。

研究人員揭示了兩個保守基序是連接來自不同PKS途徑的模塊的強大切割位點，并證明了具有不同起始單元、延伸單元和可變還原狀態的聚酮化合物的定制生產。此外，還擴展了這些切割位點的適用性，以構建涉及順式-AT PKS、反式-AT PKS甚至非核糖體肽合成酶的雜交途徑。總的來說，該發現使模塊化PKSs的即插即用重編程成為可能，并促進了裝配線酶在設計分子生物生產中的應用。

此外，2025年4月18日，西湖大學張驪駻團隊在Nature Chemical Biology（IF=13）在線發表題為“Expanding catalytic versatility of modular polyketide synthases for alcohol biosynthesis”的研究論文，該研究證明了在裝配線聚酮化合物合成酶上插入硫酯還原酶結構域，它可以產生末端醇基而不是典型的羧酸。研究表明，酰基載體蛋白和硫酯還原酶對的雙結構域插入通常對各種聚酮化合物合酶途徑的工程設計有效。作為概念的證明，通過利用聚酮化合物合成酶的模塊性，實現了非天然二醇，即1，3-丁二醇和2-甲基-1，3-丁二醇的立體選擇性和立體發散生物生產。該研究擴展了模塊化聚酮化合物合成酶的催化多樣性，并為設計醇的生物合成鋪平了道路。

模塊化PKSs是多結構域巨型酶，催化許多聚酮化合物天然產物的碳骨架構建。如紅霉素生物合成所示，PKSs以流水線方式安裝復雜的、通常具有生物活性的聚酮化合物的各種功能基團和立體中心。這種有序的單向生物合成在PKSs中排列的每個結構域進行，在它們的結構域結構和所得的聚酮化合物結構之間建立了強共線性。因此，裝配線PKSs的合理重編程已被廣泛研究，目標是實現設計生物合成的雜交PKS途徑的即插即用構建，但這種嘗試受到酶活性嚴重下降和頻繁喪失的阻礙。

PKSs由多個模塊組成，每個模塊包含一組合作結構域以完成一個鏈延伸循環。在它們的生物合成過程中，酰基轉移酶(AT)結構域催化丙二酰基或甲基丙二酰基構件裝載到酰基載體蛋白(ACP)上，然后在酮合酶(KS)結構域催化下經歷脫羧克萊森縮合，完成兩個碳的延伸。β-加工結構域，包括酮還原酶(KR)、脫水酶(DH)和烯酰還原酶(ER)，通過它們的結合來修飾延長的β-酮中間體，從而引入結構變異。在合成結束時，催化水解或大環化的硫酯酶(TE)結構域釋放完全延伸的聚酮化合物鏈。

利用venemycin PKS途徑的雜交PKS設計和產物形成的體外評估

（圖源自Nature Chemical Biology）

PKS模塊的定義，傳統上被認為是從KS到ACP，長期以來為PKSs的模塊化重編程提供了理論框架。然而，最近對PKS的進化分析顯示，KS和它的上游ACP，以及β-加工結構域，在自然模塊重組過程中共同整合，這導致了“更新的模塊定義”或“交換單位”的建議，從AT開始，以KS結束。KS和AT之間的新邊界的有效性已經在幾個PKS途徑的重編程中得到證實，顯示出比使用ACP與KS之間的傳統邊界的工程更好的酶活性。

在這項研究中，研究人員提出了一種構建雜交PKS途徑的一般方法，該方法保持了PKS雜交酶的穩定性和催化效率。位于后AT接頭的RYWL基序和位于ACP螺旋0區的RL基序是連接不同途徑的PKS模塊的有效連接點。此外，還證實了其在構建包含順式-AT PKSs、反式-AT PKSs甚至非核糖體肽合成酶(NRPSs)的雜合途徑中的應用。這些發現為PKS重編程建立了可推廣的工程原理，并為流水線酶的即插即用工程鋪平了道路。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01878-4#Sec18

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01883-7#Sec22