前期课题组负责人利用基因组挖掘技术从链霉菌NRRL B-24309培养粗提物中分离出两种膦酸类小分子抗生素,argolaphos A和B。两种化合物均由氨基甲基膦酸盐(AMP)与非标准氨基酸N5-羟基精氨酸形成肽键,而氨基甲基膦酸盐(AMP)可以成为合成草甘膦的前体小分子。课题组利用异源表达及生化方法鉴定了生物合成AMP所需要的6个结构基因(AlpG-L),并研究了其生物合成途径(图1),为合成生物学工程化改造提供基础(图2)。

图1  Argolaphos生物合成基因簇

图2  利用合成生物学策略从无机磷酸盐生产草甘膦的工作流程

之后课题组使用启动子-绝缘子-RBS策略来提高在Streptomyces lividans的AMP产量,发酵浓度达到52 mg/L,比原始菌株提高了500倍(图3)。

图3  使用启动子-绝缘子-RBS策略提高S. lividans中AMP的产量

此外,课题组开发了一种将AMP转化为草甘膦的高效实用的化学工艺。课题组尝试了两种合成路线(图4),最终发现在水中进行还原胺化能高效合成草甘膦。在室温下使用α-pic-BH3在H2O和AcOH中完成AMP与乙醛酸的还原胺化1 h,草甘膦以高产率获得。以更大的规模(1 g)进行相同的反应,并以相似的产率获得草甘膦。

图4  从AMP化学合成草甘膦的两种路线

综上所述,该课题组最终研制出了草甘膦生产中一种绿色驱动的替代方案。福建农林大学生命科学学院博士生初雷霞、塔里木大学的罗晓霞老师及福建农林大学硕士生朱陶婷为共同第一作者,福建农林大学生命科学学院高江涛教授为通讯作者,上海交通大学的邓子新院士及塔里木大学的张利莉老师参与了该项工作,该研究成果得到国家自然科学基金面上项目(31870050)、科技部合成生物学重点研发计划(2021YFA0910502)以及闽江学者项目的资助。