甲基化反應廣泛的存在於動植物和微生物細胞內，其反應涉及DNA、蛋白質及包含抗生素在內的眾多次級代謝產物的甲基化修飾。在大多數的甲基化反應中，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作為唯一的甲基化供體發揮著重要的作用。然而，當利用外源甲基轉移酶或內源甲基轉移酶進行甲基化合物合成時，胞內有限的SAM濃度往往會限制甲基化合物的合成能力及效率。
為了解決甲基化合物合成時胞內甲基供應不足的問題，提高甲基供應能力及效率，中科院微生物研究所微生物生理與代謝工程重點實驗室陶勇組在近日於代謝工程及合成生物學領域國際知名期刊Metabolic Engineering上發表題為“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劉群為論文第一作者，中科院微生物研究所林白雪專案研究員和陶勇研究員為通訊作者。
該研究以甜菜鹼作為新的甲基來源，通過在大腸桿菌內引入外源的甜菜鹼代謝模組，利用催化咖啡酸O-甲基化形成阿魏酸的外源模組來表徵甲基供應效率，改造後的工程菌反應24h可以檢測到8.3mM阿魏酸，甲基供應能力提高了12.6倍，有效的提高了甲基供應能力及效率。研究的思路包括引入甜菜鹼的代謝模組重構甲硫氨酸迴圈、提高甲硫氨酸至SAM的轉化效率、耦聯外源腺苷再生ATP系統以彌補反應過程中ATP分子的裂解、阻斷內源產生腺嘌呤的SAH水解途徑並引物外源產生腺苷的SAH水解途徑以富集腺苷等，重構的甲硫氨酸迴圈有效的提高了系統的甲基供應能力。同時，該甲基轉移系統也可應用到不同型別的甲基轉移酶催化的甲基化反應中，像N-甲基轉移酶催化的胍基乙酸至肌酸的轉化、O-甲基轉移酶催化的原兒茶酸至香草酸的轉化、體外DNA片段的甲基化等，並提高其甲基轉移能力及其效率。
該研究是首次在大腸桿菌內利用甜菜鹼作為甲基來源實現甲基化合物高效合成的報導，也是首次在異源宿主中引入甜菜鹼的代謝模組來提高甲基供應的報導。該研究為甲基化合物的合成提供了一個以甜菜鹼為甲基來源的高效的甲基供應系統，併為胞內甲基供應的研究奠定了理論基礎。
文章連結：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2022.02.004