褪黑素作为一种天然激素，能够调节动植物生理节律。当前褪黑素在全球的需求量日益增加，其工业化生产主要以植物提取法及化学法合成为主，但存在原料成本不易获得、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，具有重要应用前景。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所孙周通研究员带领的生物催化研究中心团队通过模块化酶工程与人工智能辅助设计，成功在大肠杆菌中构建了一条高效褪黑素生物合成途径。研究团队首先以关键限速酶L-色氨酸羟化酶TPH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TDC底物混杂导致副产物积累难题，团队联合四种机器学习模型预测了12个物种来源的脱羧酶的底物偏好性，昆虫来源HaTDC对5-羟基色氨酸的活性远高于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。随后，团队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。最后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，成功构建工程菌株。在补料分批发酵中，5 L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。

综上，该研究不仅为褪黑素的绿色制造提供了具有工业化前景的技术方案，同时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。该研究工作得到了国家自然科学基金、低碳合成工程生物学全国重点实验室开放课题等项目支持，近期发表于Journal of Agricultural and Food Chemistry期刊。天津工生所曲戈博士（现任华中农业大学教授）为第一作者，孙周通研究员为论文通讯作者。

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大肠杆菌细胞工厂合成褪黑素示意图