Terpenoid biomaterials
- 作者
- Jörg Bohlmann, Christopher I. Keeling
- 单位
- Michael Smith Laboratories, 321-2185 East Mall, University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada V6T 1Z4
- 杂志
- The Plant Journal（2008）
- DOI
- 10.1111/j.1365-313X.2008.03449.x
- 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
植物萜类化合物种类繁多、用途广泛，但需深入了解其生物合成途径并开发工程方法，以可持续地生产高价值萜类产品和生物燃料，减少对石化产品的依赖。
研究策略
综述植物萜类生物合成的一般途径，并通过薄荷醇、青蒿素、针叶树树脂酸、紫杉醇和异戊二烯等具体案例，展示从天然植物生产到微生物和植物代谢工程的多种策略。
核心内容
该文系统综述了植物萜类生物合成途径及其代谢工程策略，聚焦可持续生产高价值萜类产品和生物燃料。萜类已知结构超过40000种，全球异戊二烯年排放量超过10^12千克，其产量与多样性远超其他天然产物。作者以薄荷醇、青蒿素、针叶树树脂酸、紫杉醇和异戊二烯为案例，阐明从天然植物提取到微生物与植物代谢工程的多元生产路径。薄荷醇由7个酶促反应合成，紫杉醇涉及19个预测酶促步骤，年市场价值达数十亿美元。在工程实践中，利用拟南芥（32个）、水稻（15个）、毛果杨（47个）和葡萄（89个）等基因组中丰富的萜类合酶基因，克隆并异源表达关键酶，如紫穗槐二烯合酶与CYP71AV1在大肠杆菌和酵母中重构青蒿酸合成途径。研究表明，结合化学、生物化学与基因组学是解析萜类途径的有效手段，通过植物和微生物工程可实现可持续生产，减少对石化产品的依赖，但多步氧化修饰与P450酶的功能鉴定仍是关键瓶颈。
创新点
系统整合萜类生物合成、代谢工程和生物材料应用，提出利用基因组学资源发现新酶，以及通过植物和微生物代谢工程生产萜类化合物的方向。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mentha × piperita | 单萜生物合成（(-)-薄荷醇） | limonene synthase (LS) | (-)-柠檬烯合成酶 | 催化 | 催化GDP环化生成(-)-柠檬烯 |
| Mentha × piperita | 单萜生物合成（(-)-薄荷醇） | limonene-3-hydroxylase (L3OH) | 柠檬烯-3-羟化酶（P450） | 催化 | 催化(-)-柠檬烯羟基化生成(-)-反式异哌啶烯醇 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | amorphadiene synthase (ADS) | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 催化FDP环化生成紫穗槐-4,11-二烯 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶CYP71AV1 | 催化 | 催化紫穗槐二烯三步氧化生成青蒿酸 |
| Escherichia coli | 异源青蒿酸生物合成 | amorphadiene synthase, CYP71AV1, CPR | 紫穗槐二烯合酶、CYP71AV1、P450还原酶 | 催化 | 工程菌中引入甲羟戊酸途径并表达植物基因生产青蒿酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径优化生产青蒿酸 | amorphadiene synthase, CYP71AV1, CPR | 紫穗槐二烯合酶、CYP71AV1、P450还原酶 | 催化 | 通过优化MEV通量工程酵母生产青蒿酸 |
| 针叶树（Pinaceae） | 二萜树脂酸生物合成 | abietadiene synthase (AS) | 枞酸二烯合酶 | 催化 | 双功能酶催化GGDP环化生成枞酸二烯前体 |
| 针叶树（Pinaceae） | 二萜树脂酸生物合成 | CYP720B1 | Cytochrome P450 monooxygenase CYP720B1 | 催化 | 多底物P450氧化二萜烯生成树脂酸 |
| Taxus brevifolia | 紫杉醇生物合成 | taxadiene synthase | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 催化GGDP环化生成taxa-4(5),11(12)-diene |
| Populus trichocarpa | 半萜生物合成（异戊二烯） | isoprene synthase | 异戊二烯合酶 | 催化 | 催化DMADP去质子化生成异戊二烯 |
关键发现
- 萜类已知结构超过40000种
- 全球异戊二烯年排放量超过1×10^12 kg
- 拟南芥中至少有32个功能性TPS基因，水稻至少15个，毛果杨至少47个，葡萄至少89个
- 紫杉醇年市场价值数十亿美元
- 紫杉醇生物合成涉及19个预测的酶促步骤
- 薄荷醇生物合成涉及7个酶促反应。
研究结论
结合化学、生物化学和基因组学是揭示植物萜类生物合成途径的有效手段，通过植物代谢工程和微生物工程可实现萜类的可持续生产，减少对石化产品的依赖。