维生素E（生育酚与生育三烯酚）是一类重要的脂溶性抗氧化剂，在医药、营养健康、动物营养及食品加工等领域应用广泛。其中，α-生育酚因生物活性最高而成为市场需求主体。当前，全球约80%的α-生育酚源于化学合成，而天然提取则受限于植物生长周期冗长及分离纯化工艺繁杂等因素。利用微生物细胞工厂构建绿色、可持续的生物合成路线是极具潜力的替代策略，但该领域长期面临生育酚产量较低的瓶颈。经典的植物源α-生育酚合成途径高度依赖关键中间体DMPBQ，其在异源微生物中的完整重构尤为困难。

近日，袁吉锋教授团队在维生素E微生物合成领域取得突破性进展。该团队鉴定并重构了一条源自光合细菌-红细菌属的非经典α-生育酚生物合成通路，经多模块代谢工程系统改造，实现了维生素E的高效异源合成，产量创下当前文献报道的最高纪录。相关成果以" A nonclassical biosynthetic route enables tocopherol synthesis in bacteria "为题发表于国际权威期刊Nature Metabolism。

研究团队在光合细菌—球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）中导入仅包含HPPD、HPT及TC基因的δ-生育酚最小合成模块时，意外检出了α-生育酚。这一结果表明该菌体内存在一条非经典且更为精简的合成通路。经生物信息学分析与生化实验验证，团队成功解析了其分子机制：

1. UbiE的双功能甲基转移酶活性

研究发现，球形红细菌内源参与泛醌合成的甲基转移酶UbiE，具有此前未被发现的γ/β-生育酚甲基转移酶（γ/β-TMT）双功能活性。该酶可规避经典的DMPBQ步骤，直接将δ-生育酚转化为γ/β-生育酚，进而生成α-生育酚（图1）。分子动力学模拟与定点突变实验进一步揭示了其独特的底物识别模式及区域选择性催化机制。

2. BchP介导的生育三烯酚还原功能

研究发现，球形红细菌合成生育酚的同时并未检测出任何构型的生育三烯酚，推测内源的香叶基香叶基还原酶BchP具有还原生育三烯酚的功能。通过大肠杆菌异源催化表征，BchP在辅酶铁氧化还原蛋白FdxA和NADPH-铁氧化还原蛋白还原酶Fdr的协助下，高效催化生育三烯酚还原为相应的生育酚。该功能的解析，为在大肠杆菌、酵母等其他微生物宿主中构建生育酚合成途径扫清了关键障碍。基于上述机制解析，团队以球形红细菌为底盘构建了高效细胞工厂。通过转座子诱变技术整合强化前体（GGPP和HGA）供应的关键基因，并结合系统性代谢工程改造与发酵工艺优化（如添加L-甲硫氨酸和2-羟丙基-β-环糊精），在5 L补料分批发酵体系中，工程菌株的维生素E总产量达3.51 g/L，其中α-生育酚占比35%，γ/β-生育酚占比65%，该产量为目前公开文献报道的微生物合成维生素E的最高水平。

Schematic diagram of classical tocopherol biosynthetic pathway from oxygenic photosynthetic organisms and newly-identified pathway in anoxygenic photosynthetic bacteria.

本研究在维生素E绿色生物制造领域实现了多项重大突破，为微生物合成天然维生素E的商业化生产奠定了坚实的理论与技术基础：

1. 首次在微生物中实现生育酚的异源高效合成，产量达3.51 g/L，打破了长期制约该领域的技术瓶颈；

2. 发现并鉴定了一种兼具β-TMT和γ-TMT双功能活性的新型甲基转移酶UbiE，在国际上首次报道了具备这两类活性的酶，其独特的底物宽泛性和区域选择性颠覆了对生育酚甲基化步骤的经典认识，验证了一条更简洁的非经典α-生育酚合成途径，拓展了对天然产物生物合成方式的认知，并为合成生物学提供了高效新元件与路径设计新思路；

3. 鉴定了BchP的生育三烯酚还原功能，解决了异源宿主中香叶基香叶基还原酶功能表达的关键难题，为未来在多种模式工业微生物中合成生育酚铺平了道路。

本论文第一作者为副教授张阳、博士生李志臻、中山大学副教授曹立创（共同第一作者），通讯作者为袁吉锋教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、厦门市自然科学基金、中央高校基本科研业务费等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s42255-026-01576-y

（图/文 袁吉锋团队）