阿义马林（Ajmaline，又称阿马灵、西萝芙木碱）是一种从蛇根萝芙木中提取出的单萜吲哚生物碱（MIA），由于其在临床上能够作为罕见类型心律失常 Brugada 综合征的诊断剂而备受关注。

　　近几十年来，尽管针对于类似化合物的生物合成研究已经取得了关键性进展，然而却未能实现阿义马林的生物合成，其主要原因是由于缺乏两种关键酶类。

　　该研究中，研究团队针对阿义马林生物合成途径中两种此前未知的还原酶进行了发现和表征。在此基础之上，在酿酒酵母中设计并实现了阿义马林的从头生物合成，其滴度约为 57ng/L。据悉，该成果是阿义马林在异源宿主中实现从头生物合成的首次报道。

　　单萜吲哚生物碱（MIA）是一类结构多样的天然产物，其化学合成路线非常复杂。特别是阿义马林，由于未能实现生物合成，该化合物仍以植物提取为主，存在含量极低、环境问题、供应不可靠等问题。

　　与其他 MIA 化合物类似，阿义马林的生物合成始于色氨（tryptamine）和单萜，二者在异胡豆苷合酶（STR）的作用下缩合成为异胡豆苷（strictosidine），这几乎是所有 MIA 的中心前体。在此之后，又经多步修饰和多种酶催化成为阿义马林。

　　为此，研究团队首先检测了温室中蛇根萝芙木中的总生物碱。通过与文献中的 NMR 化学位移值进行比较，发现了 vomilenine，也就是 VR 反应底物。

　　另一方面，研究者推断 VR 和 DHVR 可能是肉桂醇脱氢酶（CAD）家族的成员，因此搜索了相关公开数据库，并且根据它们在蛇根萝芙木根中的表达水平将前 8 个候选还原酶命名为 RsCAD1-8。此外，研究者还鉴定了 RsGS、RR6 同源酶（RR6-2）和 RR4 同源酶，因为它们同样在根中实现了高水平表达。

　　在完整解析阿义马林生物合成途径的基础上，研究团队试图在酿酒酵母中设计并实现阿义马林的从头生物合成。

　　为了便于途径重构和优化，阿义马林生物合成途径的下游被分为两个功能模块：VOM 模块包括 GS、SBE、PNAE、VS 和 VH 五种酶途径；AJM 模块包括 VR、DHVR 或 tDHVR（N 端截短的 DHVR）、AAE1 和 NNMT 四种酶途径。依据该思路，研究者分步构建了携带不同酶类的菌株 AJ4A 等。

　　▲图丨用于阿义马林从头生物合成的 AJM 模块的重构和优化（来源：Nature Communications）

　　研究结果表明，阿义马林的从头生物合成受到下游途径代谢通量的限制，而 RsVR 和 tDHVR 是 AJM 模块的限速酶。

　　在此过程中，研究团队在样品中检测到多种 GS 副产物，结合早期研究，研究团队怀疑 SBE 和 PNAE 产物的不稳定性可能会导致代谢通路通量减少和副产物积累。由此，研究者将额外两个拷贝的 SBE、PNAE 和 VS 整合到菌株 AJ5H 的基因组中，构建最终菌株 AJ6，以加强 19E-geissoschizine 的下游通路。

　　最终，酵母菌株 AJ6 利用简单碳源产生了大约 57ng/L 的阿义马林，这是在异源宿主中实现阿义马林从头生物合成的首次报道。

　　研究团队表示，该生产滴度与工业应用之间仍相距甚远，需要利用蛋白质工程和代谢工程方法进一步优化通路。