近期，江南大学生物工程学院夏小乐教授团队在工程电子转移提高P450酶活性方面取得重要进展，研究结果“Engineering Electron Transfer Flux between Cytochrome P450 Enzyme and P450 Reductase to Enhance Serotonin Production inEscherichia Coli”正式发表于Advanced Science（IF=14.3）（https://doi.org/10.1002/advs.202414859）。
细胞色素P450酶（P450或CYP）是一种血红素硫基蛋白，广泛分布于生命的所有王国。P450酶作为一种通用的生物催化剂，它能催化C-H羟基化、C-C双键环氧化、N-和S-氧化等催化反应。因此，P450酶广泛参与人类药物/异生物代谢和激素合成代谢、植物和微生物的天然产物合成代谢，其被视为生物催化合成药物的最佳候选酶。绝大多数P450以氧气为底物，而惰性氧气的激活需要接收电子还原为过氧化态。因此，电子转移被视为P450催化循环中的启动反应，其也被视为P450酶高效催化天然产物合成的主要限速步骤之一。
该研究团队以催化血清素合成的关键酶色胺-5-羟化酶（T5H，一种P450酶）和P450还原酶（CPR）为模型系统，开发了一种系统进化工程方法来提高双组分P450催化系统中的电子转移通量。基于定向进化和理性设计，首先通过重新设计CPR的电子转移途径来提高电子转移速率；然后，通过进化T5H的血红素结构域来提高电子接收速率；最后，通过微调NADPH合成来扩大电子供应。基于以上策略，最优突变体中T5H的催化活性（Kcat/KM）是野生型的36.62倍，工程菌株大肠杆菌S11可在7.5升生物反应器中产生15.42 g/L血清素。该结果为提高复杂P450催化系统中的电子转移通量和实现高效化学生物合成提供了新的策略。
江南大学生物工程学院2021级博士生徐文照为第一作者，高玲助理研究员和夏小乐教授为论文共同通讯作者，上述研究得到了中国博士后科学基金（2024M751149）和国家重点研发计划（2021YFA0910203和2023YFF1103703）的资助。近年来夏小乐教授在生物大分子元件改造及食品健康领域的应用取得了丰硕成果，相关研究发表在Nature Communications（2025）、Trends in Food Science & Technology (2024，2020), Biotechnology Advances (2024), Biosensors and Bioelectronics (2022), Food Hydrocolloids (2025,2024,2023), Critical Reviews in Food Science and Nutrition (2022), Food Chemistry (2023), Journal of Agricultural and Food Chemistry (2024,2023,2022)等本领域权威期刊。
研究成果图
