Synthetic biology for production of natural and new-to-nature terpenoids in photosynthetic organisms
- 作者
- Philipp Arendt, Jacob Pollier, Nico Callewaert, Alain Goossens
- 单位
- Department of Plant Systems Biology, VIB, B-9052 Gent, Belgium; Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, B-9052 Gent, Belgium; Laboratory for Protein Biochemistry and Biomolecular Engineering, Department of Biochemistry and Microbiology, Ghent University, B-9000 Ghent, Belgium; VIB Medical Biotechnology Center, B-9000 Ghent, Belgium
- 杂志
- The Plant Journal（2016）
- DOI
- 10.1111/tpj.13138
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
如何在光合生物中高效合成天然及新-至-天然萜类化合物，解决植物天然产物产量低、来源稀缺、化学合成困难等问题，并探索组合生物合成与激活沉默代谢以创造新型萜类结构。
研究策略
系统综述了通过组合生物合成、异源表达、激活沉默代谢、模块化酶工程和合成生物学工具（如CRISPR/Cas9、GoldenBraid等）在光合生物（植物、藻类、蓝藻）中生产萜类化合物的研究进展，并比较了不同宿主的优劣势及工业应用潜力。
核心内容
该研究系统综述了利用合成生物学手段在光合生物中生产天然及新至天然萜类化合物的策略与进展。作者重点探讨了组合生物合成、异源表达、激活沉默代谢及模块化酶工程等途径，并以模式植物、藻类和蓝藻为底盘，比较了不同宿主的生产潜力。关键结果包括：在番茄中表达两种藻类基因使酯化虾青素积累高达16.1 mg/g；在烟草中组合11个class II与9个class I二萜合酶共51种组合，其中41种为非天然组合，生成超过50种二萜骨架；表达香叶醇合酶可激活宿主沉默修饰，产生19种衍生物。此外，玉米核转化中13%的转化体同时携带全部5个类胡萝卜素基因。该工作表明，通过模块化酶组合并利用宿主内源修饰酶的“沉默代谢”，可极大扩展萜类化学空间，使光合生物成为工业化生产复杂萜类及其新结构类似物的可行平台，未来需结合标准化DNA组装与基因编辑进一步提升产量。
创新点
首次系统总结了在光合生物中利用组合生物合成和激活沉默代谢产生'新-至-天然'萜类的策略；强调二萜合酶的模块化组合（11个class II × 9个class I产生51种组合）和工程化P450扩展产物谱；分析了宿主内源修饰酶对异源萜类的非预期转化，并指出可利用此'沉默代谢'生成新化合物。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana benthamiana | 青蒿素生物合成（倍半萜） | ADS | amorphadiene synthase | 催化 | 来自黄花蒿，瞬时表达产生amorpha-4,11-diene |
| Nicotiana benthamiana | 青蒿素生物合成（倍半萜） | CYP71AV1 | amorphadiene 12-hydroxylase (cytochrome P450) | 催化 | 氧化amorpha-4,11-diene，需CPR提供电子，产物被内源糖基化 |
| Nicotiana benthamiana | MVA途径 | tHMGR | truncated HMG-CoA reductase | 催化 | 来自酵母的截短HMGR，增强MVA通路前体供给 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | phytoene synthase | 催化 | 来自细菌，金色水稻胚乳中表达以恢复类胡萝卜素合成 |
| Oryza sativa | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | phytoene desaturase | 催化 | 与PSY共表达，产生β-胡萝卜素及衍生物 |
| Zea mays | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | phytoene synthase | 催化 | 组合核转化中补充内源缺失的PSY，产生6个不同类胡萝卜素组成的新品种 |
| Nicotiana tabacum | 类胡萝卜素生物合成 | crtW | β-carotene ketolase | 催化 | 来自Brevundimonas sp.，在叶绿体表达，产生新化合物4-ketoantharaxanthin |
| Nicotiana tabacum | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | β-carotene hydroxylase | 催化 | 与CrtW组合产生虾青素及多种酮类胡萝卜素 |
| Solanum lycopersicum | 类胡萝卜素生物合成 | — | algal ketolase/hydroxylase | 催化 | 表达两种藻类基因使番茄果实积累酯化虾青素达16.1 mg/g |
| Nicotiana benthamiana | 二萜生物合成 | diTPSs (class I/II) | diterpene synthases | 催化 | 组合11个class II和9个class I diTPS，产生51种组合，其中41种非天然，生成50余种二萜骨架 |
| Nicotiana benthamiana | 二萜生物合成 | RoCPS1 | copalyl diphosphate synthase (Rosmarinus officinalis) | 催化 | 与miltiradiene synthase共表达，产物被内源羟基化 |
| Nicotiana benthamiana | 三萜生物合成 | AaOSC2 | oxidosqualene cyclase 2 (Artemisia annua) | 催化 | 产生α-, β-, δ-amyrin，与CYP716A14v2共表达生成amyrone |
| Oryza sativa | 三萜生物合成 | PgDDS | dammarenediol-II synthase (Panax ginseng) | 催化 | 产生dammarenediol-II，被内源酶转化为原人参二醇和原人参三醇 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 单萜生物合成 | limonene synthase | limonene synthase | 催化 | 经MEP途径从CO2光合生产柠檬烯 |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 单萜生物合成 | LIS | linalool synthase | 催化 | 产生芳樟醇，被内源代谢为多种衍生物 |
关键发现
- 番茄中表达两种藻类基因使酯化虾青素积累高达16.1 mg/g
- 金色水稻通过表达细菌PSY和crtI在胚乳中积累β-胡萝卜素
- 玉米组合核转化中13%的转化体含有全部5个类胡萝卜素基因，产生6个新品种
- 在N. benthamiana中组合11个class II和9个class I二萜合酶共51种组合，其中41种非天然组合，生成超过50种二萜骨架
- Brevundimonas CrtW和CrtZ在烟草叶绿体共表达产生新化合物4-酮基黄体素（4-ketoantharaxanthin）
- 此外，烟草中表达香叶醇合酶可产生19种糖苷/丙二酰/乙酰基衍生物，激活沉默修饰。
研究结论
光合生物（特别是N. benthamiana、水稻、番茄、蓝藻等）是生产复杂萜类和实现新-至-天然化合物合成的有前景的平台。通过组合生物合成、模块化酶工程和利用宿主沉默代谢，可极大扩展萜类化学空间。未来需进一步发展标准化DNA组装、基因组编辑（CRISPR/Cas9）以及改进光合固碳与产物转运，以提高产量和工业化可行性。