Bioengineering of plant (tri)terpenoids: from metabolic engineering of plants to synthetic biology in vivo and in vitro
- 作者
- Tessa Moses, Jacob Pollier, Johan M. Thevelein, Alain Goossens
- 单位
- Department of Plant Systems Biology, VIB, Technologiepark 927, B-9052, Gent, Belgium; Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, Technologiepark 927, B-9052, Gent, Belgium; Department of Molecular Microbiology, VIB, Kasteelpark Arenberg 31, B-3001, Leuven, Heverlee, Belgium; Laboratory of Molecular Cell Biology, Institute of Botany and Microbiology, KU Leuven, Kasteelpark Arenberg 31, B-3001, Leuven, Hervelee, Belgium
- 杂志
- New Phytologist（2013）
- DOI
- 10.1111/nph.12325
- 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
植物三萜类化合物在天然来源中积累量低、提取成本高，且制药工业需要结构新颖的活性分子；如何通过经典代谢工程和合成生物学手段提高产量并创造新结构。
研究策略
综述了植物萜类（重点三萜）生物合成的自然途径和调控机制，并总结了在植物内工程、微生物异源生产、组合生物合成、定向酶进化、体外合成生物学等方面的策略与技术进展，提出以三萜类为对象的前瞻性工程框架。
核心内容
该文系统综述了植物（三）萜类化合物生物工程的研究进展，涵盖从经典植物代谢工程到合成生物学的体内与体外策略。作者梳理了萜类天然生物合成途径及其调控机制，重点总结了植物内工程、微生物异源生产、组合生物合成、定向酶进化和体外合成生物学等技术的应用。关键结果包括：过表达ERG8、ERG9和HFA1使酿酒酵母中β-amyrin产量提高500%，终产量达3.93 mg/l；通过适应性进化使截短酵母HMGR在大肠杆菌中最佳化，终产物产量提高约1000倍；苜蓿叶片受虫害后总皂苷含量增加84%；利用最小基因组宿主（如减少约15%的大肠杆菌和删除超过1.4 Mb的S. avermitilis）可优化底盘性能。该综述强调，三萜类作为最具药理潜力但工程化程度最低的萜类，通过底盘优化、组合生物合成和酶工程等手段，有望实现高效生产与结构多样化，标志着植物萜类工程正从传统代谢工程走向合成生物学驱动的系统化改造。
创新点
系统展望三萜类化合物工程，提出将合成生物学工具（如最小基因组宿主、体外区室化、蛋白支架）应用于三萜生物合成；强调利用组合生物合成和定向进化创造新三萜结构。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径/三萜生物合成 | tHMG1 (truncated HMGR) | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 截短形式用于消除反馈调节，提高IPP前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 来自 Artemisia annua 或 Pisum sativum，催化2,3-氧化鲨烯环化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类前体合成 | ERG8, ERG9, HFA1 | 磷酸甲羟戊酸激酶、鲨烯合酶、乙酰辅酶A羧化酶 | 催化 | 过表达这些内源基因使β-amyrin产量提高500% |
| Escherichia coli | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径限速酶，过表达可提高萜类前体 |
| Nicotiana tabacum | 三萜生物合成 | FPPS, SQS | 法尼基焦磷酸合酶、鲨烯合酶 | 催化 | 异源表达并改变亚细胞定位（细胞质或质体）以增强三萜积累 |
| Escherichia coli | 异源MVA途径 | tHMG1 (yeast) | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 通过适应性进化在E. coli中优化功能，终产物产量提高约1000倍 |
| Medicago truncatula | 三萜皂苷生物合成 | CYP716A12 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化α-amyrin、β-amyrin和lupeol的C-28氧化生成熊果酸、齐墩果酸和桦木酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | CYP72A68v2, CYP93E2 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 组合表达分别产生gypsogenic acid和4-epi-hederagenin |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇/萜类生物合成 | UPC2 (upc2-1) | UPC2转录因子 | 调控 | 突变型全局转录因子上调内源甾醇合成基因表达 |
| Escherichia coli | 全局转录调控 | rpoD | σ70因子 | 调控 | 全局转录机器工程提高番茄红素产量 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱 | ORCA3 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 调控多个TIA生物合成基因，但过表达不足以完全诱导生产 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | 合成蛋白支架 | 蛋白支架(scaffold) | 区室化 | 通过蛋白支架将限速酶空间组织，优化酶比例，提高代谢通量 |
关键发现
- 天然橡胶年产量达10^7吨
- 苜蓿叶片受虫害后总皂苷含量增加84%
- 在酿酒酵母中表达 Artemisia annua β-amyrin synthase 获得β-amyrin 终产量6 mg/l
- 通过过表达 ERG8、ERG9、HFA1 使β-amyrin 产量提高500%，终产量达3.93 mg/l
- 在烟草中异源表达 FPPS 和 SQS 可改变三萜积累
- 通过适应性进化使截短酵母 HMGR 在 E. coli 中最佳化，终产物产量提高约1000倍
- E. coli 最小基因组减少约15%
- S. avermitilis 基因组减少至81.46%，删除>1.4 Mb
- 合成酵母染色体可减少15-20%。
研究结论
植物（三）萜类化合物的生物工程已从经典的植物代谢工程发展到基于合成生物学的体内和体外系统；三萜类作为最少被工程化的具有药理潜力的萜类，通过优化底盘、组合生物合成和酶工程，有望实现高效生产和结构多样化。