褪黑素作为天然激素，能够调节动植物生理节律。它的工业化生产主要以植物提取法及化学法合成为主，存在原料不易获取、污染环境、反应路线长等缺点。作为替代方案，绿色高效的生物法合成褪黑素受到广泛关注。近日，中国科学院天津工业生物技术研究所通过模块化酶工程与人工智能辅助设计，在大肠杆菌中成功构建出一条高效褪黑素生物合成途径。团队以关键限速酶色氨酸羟化酶为模板，通过截短与定点突变实验，获得热稳定性与催化活性同步提升的突变体ΔSmTPH，同时在大肠杆菌中重构了四氢生物蝶呤合成与再生模块，摆脱了外源辅因子依赖。针对脱羧酶底物混杂导致副产物积累难题，团队通过四种机器学习模型预测了12个物种来源的脱羧酶底物偏好性。其中，昆虫来源HaTDC对5-羟基色氨酸的活性高于L-色氨酸。分子动力学模拟揭示，活性口袋中Y79残基与底物形成氢键是选择性关键。研究进一步鉴定出动物来源新型N-乙酰转移酶CsNAT，催化效率较对照提升95倍，并筛选获得植物来源的高特异性O-甲基转移酶AtOMT-1。研究将催化模块及辅因子供给模块组装至大肠杆菌，并敲除竞争通路基因，成功构建出工程菌株。在补料分批发酵中，5L罐褪黑素产量达6.2克/升，是目前微生物合成褪黑素的最高报道产量。该研究为褪黑素的绿色制造提供了具有工业化前景的技术方案，并建立了一个色氨酸衍生物相关的模块化酶工具箱与生物合成平台。相关研究成果发表在《农业与食品化学杂志》上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。论文链接大肠杆菌细胞工厂合成褪黑素示意图