摘要：但是甾体化合物结构往往十分复杂，传统化学合成方法步骤繁琐、成本高昂，在利用人工设计的细胞工厂进行甾体的生物合成时，也常常遇到瓶颈——生化反应中的大部分酶类需要依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）通过复杂的电子传递链来完成催化反应，而电子在传递过程中往往会

甾体化合物是一类非常重要的药物原料，包括我们熟悉的胆固醇、孕烯醇酮等。它们在医药领域有着广泛应用，可以用于制造抗炎药、免疫调节剂和激素类药物等。

但是甾体化合物结构往往十分复杂，传统化学合成方法步骤繁琐、成本高昂，在利用人工设计的细胞工厂进行甾体的生物合成时，也常常遇到瓶颈——生化反应中的大部分酶类需要依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）通过复杂的电子传递链来完成催化反应，而电子在传递过程中往往会遇到三个主要问题：传递距离太长，电子容易发生损耗；传递路径不稳定，传递效率低下；细胞内的 NADPH 不足，这些因素都限制了甾体的高效合成。

图 | 酿酒酵母中胆固醇、孕烯醇酮合成的主要和次要代谢途径

为了突破这一生产瓶颈，近日，江南大学生物工程学院周景文教授团队在 Nature Communications 上发表了题为"Electron transfer engineering of artificially designed cell factory for complete biosynthesis of steroids"的研究成果。研究团队通过系统改造酿酒酵母中的电子转移，大幅提高了甾体化合物如胆固醇和孕烯醇酮的生物合成效率，在 5 L 生物反应器中分别获得 1.78 g/L 和 0.83 g/L 的产量，为甾体药物的工业化生产带来了新突破。

研究团队分别以胆固醇（Cho）和孕烯醇酮（Prn）的合成为模型，通过电子传递工程的标准化改造，优化了合成过程中的两大关键限速步骤。

首先，研究通过 AlphaFold2 蛋白质结构预测和分子对接技术，解析了胆固醇合成的关键酶——7-脱氢胆固醇还原酶（DHCR7）的三维结构，发现其电子传递链由多个芳香族氨基酸残基组成，传递距离长达 29.4 埃，这是导致催化效率低下的主要原因。

因此，研究团队对 DHCR7 进行了系统性改造。通过四步理性设计：优化底物识别域结构、增强底物结合能力、缩短电子捕获距离、提升电子传递效率，最终获得的突变 MuDHCR7 使胆固醇的产量提高，比野生型 BtDHCR7 提高了近 6 倍。且电子传递链缩短了 68%，显著提高了活性。

图 | 设计Bt DHCR7 的电子转移系统

而在孕烯醇酮合成途径中，研究人员从 28 个不同物种中筛选出活性最高的植物源 P450scc 酶进行了改造，如通过引入酸性残基优化其催化微环境，以及利用柔性连接肽缩短氧化还原伴侣间的距离等，实验表明，改造后的酶能够更有效地完成侧链裂解这一关键步骤，可提升 37% 的电子传递效率。

此外，除了改造单个酶，研究人员还对整个细胞工厂进行了系统优化。研究人员通过引入葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（GDH）等优化戊糖磷酸途径的 NADPH 生成能力，使细胞内 NADPH/NADP + 比例从 0.3 提高到 0.8，为电子传递提供更充足的原料。同时，引入人类来源的电子传递组件（ADR-ADX），引导碳通量向目标产物合成路径倾斜，令更多原料流向胆固醇和孕烯醇酮的合成。

最终，经过一系列改造和优化策略。在 5 L 生物反应器中，酿酒酵母细胞工厂合成的胆固醇产量达到 1.78 g/L，孕烯醇酮产量 0.83 g/L，分别是初始菌株的数十倍之多。实现了甾体化合物的生产的明显突破。

总之，这项研究不仅解决了类固醇合成中的关键技术难题，也为我们带来了了合成生物学的新视角：电子传递工程（ETE）不再局限于单一环节的改造，而是可从电子供体再生、传递链优化到活性中心微环境进行整体优化，有望应用于更多高附加值天然产物的合成。

参考文献：

1.Chen, Q., Wei, W., Chao, Z. et al. Electron transfer engineering of artificially designed cell factory for complete biosynthesis of steroids. Nat Commun 16, 3740 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58926-9

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来源：生辉SciPhi