2025年6月10日，上海交通大学生命科学技术学院/合成科学创新研究中心倪俊团队在Nature Synthesis杂志发表了一篇题为“Chemoenzymatic platform with coordinated cofactor self-circulation for lignin valorization”的研究论文，该成果报道了一种名为“辅因子自循环的体外多酶协同表达（iMECS）”的策略，用于实现高效、经济且可持续转化木质素合成多种添加剂类天然产物。论文通讯作者是倪俊副教授，第一作者是博士生刘良叙。

香料等添加剂类天然产物具有重要的应用价值，例如香兰素可作为食品添加剂广泛应用于食品工业中，用于提升食品的风味和口感。目前，通过多酶体系从木质素水解物中的阿魏酸能够合成香兰素。然而，由于合成过程中需要不断消耗昂贵的辅因子（例如ATP、NADPH和CoA），严重阻碍了木质素向高附加值产品可持续转化的进程。此外，生物合成机制与辅因子再生系统之间催化活性的不平衡，使得产量极为有限。目前，尚无通用方法能够同时解决昂贵辅因子需求和酶活性不平衡的问题，因此开发一种能够普遍提升木质素生物转化效率的策略十分必要。

香料类天然产物合成共有三种路线，包括传统路线中的依赖纯化酶进行生物催化，以及利用微生物进行全细胞催化。本研究提出的iMECS策略则结合了两者的优点，通过体外多酶协调表达和辅因子自循环系统，能够实现了高效、低成本的木质素转化。

图1：木质素生物转化的不同路线示意图。

研究人员首先以天然色素姜黄素的合成为例，通过筛选不同来源的酶，创建天然产物合成途径功能模块，使姜黄素产量从28.1 mg/L提高到115.3 mg/L，是植物来源4CL的4.1倍。随后，为了实现辅因子的循环利用，研究人员设计了一个多辅因子自循环的ATP合成模块，姜黄素产量进一步提高到126.4 mg/L。在此基础上，研究人员通过通过自动化高通量筛选确定了最佳的质粒比例，使姜黄素的生产力达到了0.175 g/L·h，转化率达到了95.31%，相比传统方法提高了14.5倍。

图2：基于iMECS策略的阿魏酸到姜黄素的体外生物合成。

此外，由于香兰素是一种重要的香料化合物。研究人员利用iMECS策略，通过整合酶促反应和辅因子循环再生模块，实现了从阿魏酸到香兰素的高效转化。在纯酶系统中成功实现了辅因子循环，并从1 mM阿魏酸中合成了94.4 mg/L的香兰素。随后，研究人员将该系统扩展到无细胞表达体系，通过优化质粒比例，进一步提高了香兰素的产量。最终，通过采用热稳定策略，消除了反应中的副产物香草醇，使香兰素的产量提高到106.0 mg/L。在优化的质粒比例下，香兰素的生产力达到了1.79 g/L·h，转化率从44.05%提高到98.21%。

图3：热稳定iMECS用于阿魏酸转化为香兰素。

进一步，研究人员使用iMECS系统用于合成覆盆子酮（RK）。覆盆子酮是一种高附加值的天然香料，其合成路径涉及多个酶促反应和辅因子的循环再生。研究人员将合成路径分为上游模块和下游模块，能够从1 mM对香豆酸中合成103.7 mg/L的4-羟基苯甲基酮。通过引入辅因子循环再生模块，4-羟基苯甲基酮的产量达到了82.3 mg/L。最终，通过整合上游和下游模块，并优化质粒比例，iMECS系统在不添加任何外源辅因子的情况下，实现了从对香豆酸到覆盆子酮的高效合成，产量达到118.9 mg/L，转化率达到91.56%，生产力为0.15 g/L·h，相比传统方法提高了48倍。

图4：基于iMECS的覆盆子酮生物合成，包含三辅因子循环。

最后，研究人员测试了iMECS系统在木质素衍生化合物合成中的广泛应用，以及其在农业废弃物转化中的高效性和灵活性。通过酶置换和路径扩展，将iMECS系统应用于合成多种高附加值的酚丙代谢产物，例如白藜芦醇和柚皮素。通过简单地替换关键酶，利用iMECS系统从对香豆酸合成了57.9 mg/L的白藜芦醇和122.3 mg/L的柚皮素。经过进一步优化质粒比例，白藜芦醇和柚皮素的产量分别提高到211.3 mg/L和229.1 mg/L，转化率分别达到92.58%和84.2%。

图5：化学-iMECS混合路线用于木质素转化。

此外，研究人员进一步探索了iMECS系统在木质素废弃物转化和香料添加剂类化合物合成中的应用潜力，开发了一种化学解聚与iMECS相结合的混合路线，将富含木质素的农业废弃物直接转化为有价值的芳香族化合物。通过温和的碱处理，从不同的农业废弃物中释放出阿魏酸和对香豆酸，然后利用iMECS系统直接将这些水解液转化为目标产物，展示出了iMECS系统在处理复杂底物和合成多种高附加值化合物中的强大能力。

综上所述，这项研究精心设计了天然产物合成途径的功能模块，并巧妙引入了辅因子自循环模块。借助DNA层面的精准调控技术，成功实现了前体物质、能量供应与还原力的动态平衡。此外，这种基于无细胞体系的原型设计不仅展示了强大的合成潜力，更为香料添加剂类高效细胞工厂的开发与应用提供了坚实的理论与技术基础，为未来相关领域的创新与发展开辟了新的道路。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00819-2