甲基化反应广泛的存在于动植物和微生物细胞内，其反应涉及DNA、蛋白质及包含抗生素在内的众多次级代谢产物的甲基化修饰。在大多数的甲基化反应中，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为唯一的甲基化供体发挥着重要的作用。然而，当利用外源甲基转移酶或内源甲基转移酶进行甲基化合物合成时，胞内有限的SAM浓度往往会限制甲基化合物的合成能力及效率。
为了解决甲基化合物合成时胞内甲基供应不足的问题，提高甲基供应能力及效率，中科院微生物研究所微生物生理与代谢工程重点实验室陶勇组在近日于代谢工程及合成生物学领域国际知名期刊Metabolic Engineering上发表题为“Improved methylation in E. coli via an efficient methyl supply system driven by betaine”的研究工作。中科院微生物研究所直博生刘群为论文第一作者，中科院微生物研究所林白雪项目研究员和陶勇研究员为通讯作者。
该研究以甜菜碱作为新的甲基来源，通过在大肠杆菌内引入外源的甜菜碱代谢模块，利用催化咖啡酸O-甲基化形成阿魏酸的外源模块来表征甲基供应效率，改造后的工程菌反应24h可以检测到8.3mM阿魏酸，甲基供应能力提高了12.6倍，有效的提高了甲基供应能力及效率。研究的思路包括引入甜菜碱的代谢模块重构甲硫氨酸循环、提高甲硫氨酸至SAM的转化效率、耦联外源腺苷再生ATP系统以弥补反应过程中ATP分子的裂解、阻断内源产生腺嘌呤的SAH水解途径并引物外源产生腺苷的SAH水解途径以富集腺苷等，重构的甲硫氨酸循环有效的提高了系统的甲基供应能力。同时，该甲基转移系统也可应用到不同类型的甲基转移酶催化的甲基化反应中，像N-甲基转移酶催化的胍基乙酸至肌酸的转化、O-甲基转移酶催化的原儿茶酸至香草酸的转化、体外DNA片段的甲基化等，并提高其甲基转移能力及其效率。
该研究是首次在大肠杆菌内利用甜菜碱作为甲基来源实现甲基化合物高效合成的报道，也是首次在异源宿主中引入甜菜碱的代谢模块来提高甲基供应的报道。该研究为甲基化合物的合成提供了一个以甜菜碱为甲基来源的高效的甲基供应系统，并为胞内甲基供应的研究奠定了理论基础。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2022.02.004
