大豆素还原酶（Daidzein Reductase）与二氢大豆素外消旋酶（Dihydrodaidzein Racemase）基因的转录耦合作用提升了工程乳酸菌中表儿茶素（Equol）及其类似衍生物的产量

《ACS Synthetic Biology》：The Translational Coupling of Daidzein Reductase and Dihydrodaidzein Racemase Genes Improves the Production of Equol and Its Analogous Derivatives in Engineered Lactic Acid Bacteria

本研究通过异源表达大豆异黄酮合成相关基因（dzr、ifcA、ddr、tdr），发现翻译耦合策略（将dzr与ifcA置于同一质粒）可显著提升乳杆菌属（如L. fermentum、L. plantarum、L. paracasei）中eq、5-OH-eq和5-OH-d-eq的产量，最高达410 μM。该策略通过协同调控酶活性及减少还原力竞争，优化了异黄酮生物合成路径，为功能性食品开发提供了新方法。

　　在现代食品和健康研究中，植物雌激素及其衍生物被广泛认为对人类健康具有显著益处。这些化合物，如等同异黄酮（EQ）、5-羟基等同异黄酮（5-OH-EQ）和5-羟基脱氢等同异黄酮（5-OH-D-EQ），主要来源于大豆中的异黄酮成分，如大豆苷（daidzein）和染料木素（genistein），并通过肠道微生物的转化作用生成。由于这些化合物的健康价值，研究人员一直在探索如何通过工程化乳酸菌（LAB）来高效生产EQ及其类似物，从而将其应用于大豆饮品等食品中。

目前，已有研究在两种工程化的乳酸菌菌株——*Limosilactobacillus fermentum* INIA 584L和INIA 832L中实现了这些化合物的高效生产。然而，这些成果主要依赖于一种关键的酶——二氢等同异黄酮消旋酶（DDRC），其功能在这些特定菌株中得到了验证。为了扩展这一成果，使其适用于更多种类的乳酸菌，并提高EQ及其类似物的产量，研究团队尝试了不同的策略，特别是通过基因的翻译耦合技术。翻译耦合是指将两个基因的表达过程连接在一起，使得其中一个基因的翻译依赖于前一个基因的翻译，从而实现更高效的蛋白质合成和调控。

在本研究中，研究人员使用了一种名为pNZ:TuR.dzr.ifcA的载体，其中包含了*dzr*和*ifcA*基因，并且在翻译过程中将它们连接起来。通过这种方式，能够同时表达DZR和DDRC，进而提高EQ和类似物的生产效率。实验结果表明，当这些基因被耦合在同一个载体中时，EQ、5-OH-EQ和5-OH-D-EQ的产量显著提高，尤其是在一些原本无法高效生产这些化合物的菌株中，例如*Lactiplantibacillus plantarum* WCFS1和*Lactocaseibacillus paracasei* BL23。这些菌株在使用耦合载体后，能够生产出高浓度的EQ及其类似物，显示出翻译耦合技术在提升生产效率方面的巨大潜力。

为了验证翻译耦合的效果，研究人员还对一些含有荧光蛋白基因的载体进行了实验，如pNZ:TuR.aFP.STOP.mCherry。通过改变这些基因的起始密码子（ATG），研究团队发现只有特定的起始密码子能够启动*mrfp*的翻译，而其他起始密码子则无法实现这一过程。这一结果表明，翻译耦合并非简单的基因连接，而是需要特定的基因结构和调控机制。进一步的实验还发现，当将*dzr*和*ifcA*基因耦合在同一个载体中时，不仅能够提高EQ的产量，还能促进5-OH-EQ和5-OH-D-EQ的生成，这在某些菌株中表现尤为明显。

此外，研究团队还探讨了不同载体组合对EQ及其类似物产量的影响。例如，当*dzr*和*ifcA*基因分别位于不同的载体中时，其生产效率低于耦合在同一载体中的情况。这表明，基因之间的协同作用对于提高化合物的产量至关重要。然而，某些菌株如*L. fermentum* INIA 584L和832L在耦合后仍然表现出更高的EQ产量，这可能与它们自身的酶活性有关。这些菌株在翻译耦合后，不仅能够维持较高的生产效率，还能在不同的发酵条件下（如不同的温度和时间）持续生成高浓度的EQ及其类似物。

在实际应用中，研究人员还评估了不同菌株在大豆饮品中的表现。结果显示，当使用翻译耦合的载体时，EQ、5-OH-EQ和5-OH-D-EQ的产量显著提升，同时发酵过程中的pH值也有所变化。这些变化可能与微生物的代谢活动有关，但并未对化合物的产量产生显著影响。因此，翻译耦合技术不仅能够提高化合物的产量，还能在不影响其他代谢过程的情况下实现高效的生产。

总的来说，这项研究展示了翻译耦合技术在提高EQ及其类似物产量方面的有效性。通过将*dzr*和*ifcA*基因耦合在同一个载体中，能够显著提升这些化合物的生产效率，使更多的乳酸菌菌株具备生成这些有益成分的能力。此外，研究还强调了不同基因表达方式（如翻译耦合与转录耦合）对生产效率的影响，并提出了未来研究的方向，以进一步优化这些技术，使其在实际食品生产中发挥更大的作用。这些成果不仅为功能性食品和营养补充剂的开发提供了新的思路，也为相关产业带来了新的机遇。