近期，我校生物工程学院饶义剑教授团队在创建中药延胡索活性成分罗通定的生物合成和仿生改造新方法方面取得重要进展，研究成果“A concise enzyme cascade enables the manufacture ofnatural and halogenated protoberberine alkaloids”正式发表于Nature Communications(IF = 14.7) (https://doi.org/10.1038/s41467-025-57280-0)
植物源生物碱是一类具有多种药理特性的关键天然产物。然而，由于其在药用植物中的含量较低且结构复杂性和多样性不足，限制了其广泛应用和发展。尽管化学合成和异源生物合成技术在一定程度上缓解了这些问题，但这些方法的产量仍不足以支持大规模工业化生产。为解决上述挑战，本研究通过途径设计简化原小檗碱类生物碱的合成步骤，构建了一个高效的酶级联反应系统，克服了原小檗碱类生物碱生物合成中关键酶表达量低、活性差的固有瓶颈，实现了中药延胡索主要活性成分天然镇痛药物罗通定的克级合成，为其工业化生产提供了新的策略和技术手段（图1），助力中药现代化。
首先基于原小檗碱类生物碱的天然合成途径及该团队先前报道的苯乙基异喹啉生物合成平台，设计了一条以罗通定为代表的原小檗碱类生物碱及其卤代衍生物的多酶级联反应新途径。如图1c所示，该人工合成途径通过投喂廉价易得的底物（苯乙酸衍生物），依次经过脱羧、P-S缩合、6-氧甲基化、N-甲基化、碳碳偶联、9-氧甲基化和2-氧甲基化等步骤，最终生成目标产物。该途径由四个模块组成：BIA模块、MT模块、BBE模块和9OMT模块，从廉价易得的底物出发，高效地合成了原小檗碱类生物碱。通过巧妙的底物设计，该级联反应系统避免了原始反应途径中NMCH和4’OMT的参与，从而显著缩短了反应步骤并提高了催化效率。
随后，作者以3-羟基-4-甲氧基苯乙酸为模式底物测试多酶级联反应的可行性。作者筛选了具有高催化活性的CAR和NCS，实现（S）-3a的高效合成；其次，筛选了5种不同来源的6OMT并与CNMT共同催化，实现了中间体（S）-5a的生产；接着，筛选了有结构报道的BBE和S9OMT,尽管BBE模块和S9OMT模块的催化效率不高，但结构的报道能有效指导定向进化，且在体外实现了目标产物罗通定的合成，证明了该多酶级联反应的可行性（图2）。
接着，作者在全细胞体系中构建了多酶级联反应途径（图3），并通过分子伴侣、启动子工程、定向进化和辅因子工程等手段，系统地优化了小檗碱桥酶BBE的表达水平及其催化性能，有效解决了原小檗碱类生物碱生物合成中小檗碱桥酶催化活性差的固有难题（图4）。随后，基于结构指导，作者对S9OMT进行了定向进化，在保持其对9-OH高效甲基化的同时，显著提高了其对2-OH的甲基化能力。通过上述途径构建、酶改造及条件优化，罗通定的产量达到了2.44 g/L，这是目前文献报道中的最高产量。
最后，鉴于卤代产物通常具有更优的药理活性，作者结合底物设计和即插即用策略，成功合成了多种卤代原小檗碱类生物碱，实现了罗通定的生物改造(图5)。这不仅验证了该多酶级联途径的广泛适用性，也为中药现代化提供了范例，展示了新质生产力的应用潜力。
综上所述，本研究构建了一个高效的酶级联反应系统，成功实现了原小檗碱类生物碱及其卤代衍生物的高效合成，克服了原小檗碱类生物碱生物合成的固有难题；实现了天然镇痛药罗通定的克级合成，为其工业化生产提供了新的策略和技术手段，充分展示了中药现代化进程中的创新实践，是新质生产力成功应用的典范。
上述工作发表于Nature Communications，江南大学生物工程学院为第一完成单位，江南大学2022级博士生李菲，袁振波副研究员和高跃博士为共同第一作者，江南大学生物工程学院饶义剑教授为通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金(32270082, 22207044, 22477047和22108122)，中央高校基本科研业务费（JUSRP124020），江苏省合成生物基础研究中心资助（BK20233003），江苏省自然科学基金(BK20202002)和江苏省研究生科研与实践创新项目(KYCX24_2579)资助。近年来饶义剑教授团队围绕“天然产物的途径解析、仿生定向合成与应用”开展了系统性的研究，并取得了一系列原创性研究成果，部分成果已发表在Nature Communications(2023，2024，2025)、J Am Chem Soc（2024）、Angew(2022, 2023，2024)、ACS Catalysis(2020，2021，2022，2024)、Green Chemistry(2019, 2022)、Water Research(2022)、Journal of Hazardous Materials(2021, 2023)、Chemical Engineering Journal(2021)等本领域权威期刊。
设计用于天然和卤化原小檗碱生物合成的简化人工多酶级联反应体系
构建体外高效的多酶级联反应系统以合成罗通定
通过BIA和MT模块合成中间体(S)-3a和(S)-5a
生物合成(S)-6a的BBE模块的构建与优化
罗通定及不种卤代原小檗碱类生物碱的的生物合成
