白链霉菌ε-聚赖氨酸生物合成的赖氨酸来源依赖于二氨基庚二酸途径的调控机制

本研究揭示了白链霉菌(Streptomyces albulus)合成抗菌肽ε-聚赖氨酸(ε-PL)的关键机制。研究人员通过结构比对发现2,6-吡啶二羧酸(PDC)可特异性抑制二氨基庚二酸(DAP)途径限速酶DapB，证实新生l-赖氨酸主要通过DAP途径供给ε-PL合成。该发现为优化ε-PL工业化生产提供了新靶点，对开发新型生物防腐剂具有重要意义。

　　

在食品工业和医疗领域，开发安全高效的天然抗菌剂一直是研究热点。ε-聚-l-赖氨酸(ε-PL)作为一种由微生物合成的阳离子多肽，因其广谱抗菌性、可生物降解性和人体安全性，成为替代化学防腐剂的理想选择。然而，这种多肽的工业化生产仍面临产量瓶颈，其根本原因在于合成途径关键环节尚未阐明。特别是在放线菌中，ε-PL由l-赖氨酸单体聚合而成，但赖氨酸的来源途径及其调控机制长期存在争议——究竟是通过DAP(de novo synthesis)途径新生合成，还是依赖外源摄取？这个问题直接关系到菌种改造和发酵工艺的优化策略。

来自中国的研究团队在《Journal of Bioscience and Bioengineering》发表的研究，通过创新的抑制剂筛选和代谢分析，首次证实白链霉菌(Streptomyces albulus)中ε-PL合成完全依赖内源DAP途径供给的l-赖氨酸。研究人员采用比较结构生物学方法锁定关键靶点，通过代谢扰动实验揭示通路调控规律，为微生物合成生物学提供了重要范式。

关键技术包括：1) 基于结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis) DapB晶体结构的同源建模；2) 使用2,6-吡啶二羧酸(PDC)特异性抑制DapB活性；3) 代谢组学分析PDC处理后的氨基酸积累模式；4) 采用M3G培养基进行时序培养实验监测ε-PL产量变化。实验菌株为白链霉菌CR1（NBRC14147衍生株）。

【Bacterial strains and chemicals】
研究选用白链霉菌CR1作为模式菌株，该菌株已消除隐蔽质粒pNO33的干扰。通过优化SLB和M3G培养基组成，建立了稳定的ε-PL生产体系。M3G培养基含5.0%葡萄糖、0.5%酵母提取物及精确配比的(NH₄
)₂
SO₄
、KH₂
PO₄
等无机盐，为代谢研究提供标准化环境。

【Structural comparison between SaDapB model and MtDapB】
当传统基因敲除方法未能获得dapB突变株时，研究者转向抑制剂开发。通过序列比对发现白链霉菌DapB(SaDapB)与结核分枝杆菌DapB(MtDapB)具有67%相似性，且活性中心高度保守。分子对接显示PDC可竞争性结合SaDapB的NADPH结合域，这为后续功能验证奠定基础。

【Discussion】
PDC处理实验获得突破性发现：在ε-PL合成初期添加PDC，不仅抑制菌体生长，还完全阻断ε-PL产生，同时导致丙酮酸和l-天冬氨酸-4-半醛下游代谢物堆积。这一"代谢断流"现象直接证明DAP途径是l-赖氨酸的唯一来源。研究还发现，即使培养基富含外源赖氨酸，PDC处理仍会终止ε-PL合成，说明菌体无法直接利用外源赖氨酸进行聚合。

该研究从代谢流分配角度阐明了ε-PL合成的限速步骤，证实DAP途径是工艺优化的关键调控节点。这一发现不仅解决了长期争议的赖氨酸来源问题，更为通过代谢工程改造生产菌株提供了明确方向——未来可通过强化DAP途径通量或解除DapB反馈抑制来提高产量。研究建立的PDC抑制模型，也为其他放线菌次级代谢产物的途径解析提供了新方法。

作者Fumihito Hasebe和Yoshimitsu Hamano团队强调，该机制或普遍存在于ε-PL产生菌中。鉴于DAP途径在细菌中高度保守，这一发现对开发针对病原菌氨基酸代谢的新型抗生素也具有启示意义。研究获得日本学术振兴会(JSPS)等多项基金支持，相关技术已申请专利保护。