随着公众健康意识的提升，褪黑素的市场需求正持续增长，但其工业化生产长期面临两难困境。日前，记者从中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称天津工生所）获悉，该所生物催化研究中心团队通过模块化酶工程与人工智能辅助设计，在大肠杆菌中构建了一条高效的褪黑素生物合成途径，为这一难题提供了新的解决思路。

传统的褪黑素生产主要依赖植物提取和化学合成。植物提取法受制于原料成本波动且不易获取，而化学合成法则往往存在反应步骤长、污染环境等问题。作为一种替代方案，绿色高效的生物合成法虽备受关注，却因通路复杂、关键酶催化效率低等瓶颈，一直难以实现规模化突破。

针对上述挑战，天津工生所的研究人员采取了一种精细的“模块化”策略，像组装精密仪器一样逐步攻克难关。他们首先将目光锁定在途径中的关键限速酶——L-色氨酸羟化酶上。通过截短与定点突变实验，团队成功获得了一个热稳定性与催化活性同步提升的突变体，让这个“限速关口”变得更为通畅。与此同时，研究人员在大肠杆菌内重构了一套四氢生物蝶呤的合成与再生模块，使工程菌株摆脱了对外源昂贵辅因子的依赖，降低了体系运行的复杂性与成本。

在解决副产物积累的问题上，人工智能发挥了关键作用。针对脱羧酶因底物混杂易导致副产物生成的难题，团队联合运用四种机器学习模型，从12个不同物种来源的脱羧酶中预测其底物偏好性。计算结果与实验验证均表明，一种昆虫来源的脱羧酶对目标底物5-羟基色氨酸表现出极高的活性，而分子动力学模拟则进一步揭示了其活性口袋中一个关键氨基酸残基与底物形成氢键的机制，正是这种高选择性抑制了副产物的产生。此后，研究团队乘胜追击，鉴定出一种动物来源的新型N-乙酰转移酶，其催化效率较对照提升了95倍，并筛选到植物来源的高特异性O-甲基转移酶。

完成各个高效元件的筛选后，研究团队将这些催化模块与辅因子供给模块系统组装进大肠杆菌，并敲除了竞争性旁路代谢的基因，使得代谢流精准指向目标产物。在5升罐规模的补料分批发酵测试中，工程菌株的褪黑素产量达到6.2克/升，这是目前报道的微生物合成褪黑素的最高产量水平。

这一研究不仅为褪黑素的绿色工业化生产提供了一项有前景的技术方案，其更长远的意义在于，建立了一个针对色氨酸衍生物的模块化酶工具箱与生物合成平台。这套“工具”意味着，未来在合成其他高附加值化合物时，可以在此基础上进行快速适配与重新组装。据悉，该研究工作得到了国家自然科学基金、低碳合成工程生物学全国重点实验室开放课题等项目的支持。