基于SpeD和SpeE理性设计的绿色合成亚精胺新策略

本研究针对亚精胺生物合成途径中关键限速酶S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SpeD)和亚精胺合成酶(SpeE)活性不足的问题，通过分子对接指导的丙氨酸扫描诱变技术，成功获得SpeDI39A/D22A和SpeEI108A/T54A双突变体，使酶活性分别提升58%和44%，最终构建的工程菌PM1::D/E在木糖发酵体系中实现683.14 mg/L的亚精胺产量，较原始菌株提高16.38倍，为心血管疾病干预和抗衰老功能产品开发提供了绿色生产方案。

　　

亚精胺的生物学价值与生产困境
作为一种天然多胺，亚精胺在神经退行性疾病干预、心血管保护、抗衰老等领域展现出非凡潜力。然而传统获取方式面临双重挑战：人体内源合成随年龄增长而衰减，植物提取法又存在效率低下、污染严重等弊端。微生物合成虽被视为绿色替代方案，但限速酶S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SpeD)和亚精胺合成酶(SpeE)的活性瓶颈长期制约着生产效率。

酶分子改造的突破性进展
中国的研究团队选择解淀粉芽孢杆菌PM1作为底盘细胞，基于分子对接技术锁定SpeD和SpeE的关键氨基酸位点。通过构建精简化丙氨酸扫描突变库，筛选出SpeD^I39A/D22A和SpeE^I108A/T54A两个优势突变体，其酶活分别提升58%和44%，对应菌株的亚精胺产量增长53%和44%。分子动力学模拟揭示突变通过增强结构稳定性和底物结合能力发挥作用。

关键实验技术体系
研究整合了分子对接指导的理性设计、重叠延伸PCR定点突变、解淀粉芽孢杆菌代谢工程改造、分批补料发酵等核心技术。特别采用木糖作为碳源，既降低生产成本，又规避葡萄糖对亚精胺合成的抑制效应。

研究结果解析
The effect of rational design of SpeD
通过Discovery Studio软件对SpeD-SAM复合物进行柔性对接，发现I39和D22位点参与底物结合。双突变使SpeD^I39A/D22A的催化效率提升58%，菌株发酵效价达对照组的1.53倍。

组合工程菌构建
将优势突变体整合至PM1菌株构建PM1::D/E工程菌，分批补料发酵使亚精胺产量飙升至683.14 mg/L，较原始菌株实现16.38倍的突破性增长。

研究启示与应用前景
该研究发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，首次实现亚精胺合成途径限速酶的理性设计改造。通过将酶分子改造与代谢工程策略耦合，不仅建立了木糖基绿色合成新范式，更为功能食品和药物开发提供了高效生产平台。特别值得注意的是，解淀粉芽孢杆菌作为食品级安全菌株的选用，使该技术具有直接产业化的独特优势。研究团队对酶构效关系的深入阐释，也为其他多胺类化合物的生物合成提供了可借鉴的改造策略。