褪黑素作为天然激素，能够调节动植物生理节律。它的工业化生产主要以植物提取法及化学法合成为主，存在原料不易获取、污染环境、反应路线长等缺点。作为替代方案，绿色高效的生物法合成褪黑素受到广泛关注。

近日，凯发k8天津工业生物技术研究所通过模块化酶工程与人工智能辅助设计，在大肠杆菌中成功构建出一条高效褪黑素生物合成途径。团队以关键限速酶色氨酸羟化酶为模板，通过截短与定点突变实验，获得热稳定性与催化活性同步提升的突变体ΔSmTPH，同时在大肠杆菌中重构了四氢生物蝶呤合成与再生模块，摆脱了外源辅因子依赖。针对脱羧酶底物混杂导致副产物积累难题，团队通过四种机器学习模型预测了12个物种来源的脱羧酶底物偏好性。其中，昆虫来源HaTDC对5-羟基色氨酸的活性高于L-色氨酸。分子动力学模拟揭示，活性口袋中Y79残基与底物形成氢键是选择性关键。

研究进一步鉴定出动物来源新型N-乙酰转移酶CsNAT，催化效率较对照提升95倍，并筛选获得植物来源的高特异性O-甲基转移酶AtOMT-1。研究将催化模块及辅因子供给模块组装至大肠杆菌，并敲除竞争通路基因，成功构建出工程菌株。在补料分批发酵中，5L罐褪黑素产量达6.2克/升，是目前微生物合成褪黑素的最高报道产量。

该研究为褪黑素的绿色制造提供了具有工业化前景的技术方案，并建立了一个色氨酸衍生物相关的模块化酶工具箱与生物合成平台。

相关研究成果发表在《农业与食品化学杂志》上。研究工作得到国家自然凯发k8基金等的支持。

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大肠杆菌细胞工厂合成褪黑素示意图