前期課題組負責人利用基因組挖掘技術從鏈霉菌NRRL B-24309培養(yǎng)粗提物中分離出兩種膦酸類小分子抗生素,argolaphos A和B。兩種化合物均由氨基甲基膦酸鹽(AMP)與非標準氨基酸N5-羥基精氨酸形成肽鍵,而氨基甲基膦酸鹽(AMP)可以成為合成草甘膦的前體小分子。課題組利用異源表達及生化方法鑒定了生物合成AMP所需要的6個結構基因(AlpG-L),并研究了其生物合成途徑(圖1),為合成生物學工程化改造提供基礎(圖2)。

圖1  Argolaphos生物合成基因簇

圖2  利用合成生物學策略從無機磷酸鹽生產(chǎn)草甘膦的工作流程

之后課題組使用啟動子-絕緣子-RBS策略來提高在Streptomyces lividans的AMP產(chǎn)量,發(fā)酵濃度達到52 mg/L,比原始菌株提高了500倍(圖3)。

圖3  使用啟動子-絕緣子-RBS策略提高S. lividans中AMP的產(chǎn)量

此外,課題組開發(fā)了一種將AMP轉化為草甘膦的高效實用的化學工藝。課題組嘗試了兩種合成路線(圖4),最終發(fā)現(xiàn)在水中進行還原胺化能高效合成草甘膦。在室溫下使用α-pic-BH3在H2O和AcOH中完成AMP與乙醛酸的還原胺化1 h,草甘膦以高產(chǎn)率獲得。以更大的規(guī)模(1 g)進行相同的反應,并以相似的產(chǎn)率獲得草甘膦。

圖4  從AMP化學合成草甘膦的兩種路線

綜上所述,該課題組最終研制出了草甘膦生產(chǎn)中一種綠色驅動的替代方案。福建農林大學生命科學學院博士生初雷霞、塔里木大學的羅曉霞老師及福建農林大學碩士生朱陶婷為共同第一作者,福建農林大學生命科學學院高江濤教授為通訊作者,上海交通大學的鄧子新院士及塔里木大學的張利莉老師參與了該項工作,該研究成果得到國家自然科學基金面上項目(31870050)、科技部合成生物學重點研發(fā)計劃(2021YFA0910502)以及閩江學者項目的資助。