Artemisinin, a Novel Antimalarial Drug: Biochemical and Molecular Approaches for Enhanced Production
- 杂志
- Planta Medica（2003）
- DOI
- 10.1055/s-2003-38871
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
青蒿素在黄花蒿（Artemisia annua L.）中含量低（0.01%-0.8%），限制了其商业化生产，急需提高产量。
研究策略
综述了通过植物化学与生理调控、化学合成、生物转化、细胞与组织培养以及基因工程等多种策略来提高青蒿素产量。
核心内容
青蒿素是重要的抗疟药物，但黄花蒿中其天然含量极低（0.01%–0.8%），严重制约商业化生产。该综述系统评估了多种增产策略，包括施肥调控、组织培养、化学合成及基因工程等，并重点介绍了半合成路线和代谢工程改造。在农艺层面，施用50和100 kg/ha氮肥可分别使青蒿素产量提升26.2%和40.1%，而硼缺乏会导致含量下降约50%；四倍体植株含量较二倍体高38%，杂交种可达0.63%–0.7%。在生物转化方面，以青蒿酸和青蒿素B为底物时，细胞自由提取物可分别产7.2%和6.5%的青蒿素。基因工程策略中，过表达法尼基二磷酸合酶使转基因植株青蒿素含量提高2–3倍，异戊烯基转移酶基因表达则带来30%–70%的提升。作者认为常规育种和组织培养效果有限，半合成与代谢工程相结合、通过过表达限速酶或抑制竞争分支途径，是实现青蒿素规模化生产最有前景的方向。
创新点
提出利用半合成（从青蒿酸等前体合成青蒿素）和基因工程（过表达限速酶、反义RNA抑制竞争途径）等非传统策略，并报道了本实验室在酶学与生物转化方面的进展。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 过表达使青蒿素含量提高2-3倍 |
| Artemisia annua L. | 细胞分裂素合成 | IPT | 异戊烯基转移酶 | 调控 | ipt基因表达使青蒿素含量提高30%-70%，细胞分裂素水平提高2-3倍 |
| Artemisia annua L. | 倍半萜生物合成 | cad-14 | 棉子酚合酶（cadinene synthase） | 催化 | 来自棉花的cadinene synthase cDNA在毛状根中表达，用于调控青蒿素前体合成 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成 | — | 12 kDa和14.5 kDa蛋白 | 催化 | 从75%-100%硫酸铵饱和部分分离，具有将青蒿酸和青蒿素B转化为青蒿素的活性 |
关键发现
- 青蒿素在黄花蒿中含量为0.01%-0.8%
- 施用氮肥（50和100 kg/ha）可使青蒿素产量分别提高26.2%和40.1%
- 硼缺乏使青蒿素含量降低约50%
- 四倍体植株青蒿素含量比二倍体高38%
- 杂交种含量可达0.63%-0.7%
- 以青蒿酸为底物时细胞自由提取物可产7.2%青蒿素，以青蒿素B为底物时产6.5%
- 过表达法尼基二磷酸合酶使转基因植株青蒿素含量提高2-3倍
- 异戊烯基转移酶基因表达使青蒿素含量提高30%-70%。
研究结论
常规育种和组织培养未能有效提高青蒿素产量，需要采用半合成和基因工程等新策略，通过过表达限速酶或抑制竞争途径来实现青蒿素的商业化生产。