Microbial biosynthesis of medicinally important plant secondary metabolites

作者: Myoung Chong Song, Eun Ji Kim, Eunjii Kim, Kris Rathwell, Sang-Jip Nam, Yeo Joon Yoon
单位: Ewha Womans University; Sunchon University
杂志: Natural Product Reports
DOI: 10.1039/c4np00057a
所属领域: 代谢工程
关键词: 代谢工程微生物生物合成植物次级代谢物生物碱萜类黄酮类
阅读原文: 查看 PDF 原文

解决的核心问题

植物来源的药用次级代谢物在自然界产量低、化学合成成本高，难以满足需求，需要开发可持续的微生物生产方法。

研究策略

综述近年来利用大肠杆菌、酿酒酵母和链霉菌等微生物作为宿主，异源表达植物生物合成基因，并通过代谢工程优化前体供应和途径通量，以生产萜类、黄酮类及生物碱等植物次级代谢物。

研究路线图

100%

下载 .drawio 源文件

核心内容

近年来，利用微生物异源合成植物来源的药用次级代谢物已成为解决天然产物供应短缺的重要策略。该综述系统总结了以大肠杆菌、酿酒酵母和链霉菌为宿主，通过异源表达植物生物合成基因并优化前体供应与途径通量，生产萜类、黄酮类及生物碱等化合物的研究进展。所涉及的创新方法包括蛋白支架共定位、密码子优化、融合蛋白、共培养策略、启动子工程和前体增强等。关键成果方面，在大肠杆菌中优化甲羟戊酸途径后，amorphadiene产量高达27.4 g/L；在酵母中工程化改造后artemisinic acid可达25 g/L。紫杉醇前体taxadien-5α-ol在大肠杆菌中约1 g/L，人参皂苷 precursor dammarenediol-II在酵母中达1548 mg/L。此外，通过增强丙二酰辅酶A供应，pinocembrin在大肠杆菌中最高达710 mg/L。这些结果表明，微生物异源生产植物次级代谢物已具备工业可行性，但植物基因的功能表达水平和前体供应效率仍需进一步提升，以推动更广泛的产业化应用。

创新点

总结了包括蛋白支架共定位、密码子优化、融合蛋白、共培养策略、启动子工程、前体增强等创新方法，并展示了多种化合物达到工业可行产量的实例。

研究对象（28）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Escherichia coli	甲羟戊酸(MVA)途径	ADS	amorphadiene synthase	催化	催化法尼基焦磷酸环化生成amorphadiene
Escherichia coli	青蒿素生物合成	AMO	amorphadiene oxidase (CYP71AV1)	催化	细胞色素P450氧化酶，氧化amorphadiene生成artemisinic acid
Saccharomyces cerevisiae	青蒿素生物合成	CYP71AV1	amorphadiene oxidase	催化	与CPR和CYB5协同转化amorphadiene为artemisinic acid
Saccharomyces cerevisiae	紫杉醇生物合成	TDS	taxadiene synthase	催化	催化GGPP环化生成taxadiene
Escherichia coli	紫杉醇生物合成	GGPPS	GGPP合酶	催化	来自Sulfolobus acidocaldarius或Erwinia herbicola，提供GGPP前体
Saccharomyces cerevisiae	三萜生物合成	DDS	dammarenediol-II synthase	催化	催化2,3-氧化鲨烯环化生成达玛烯二醇-II
Saccharomyces cerevisiae	三萜生物合成	PPDS	protopanaxadiol synthase	催化	细胞色素P450，催化达玛烯二醇羟化生成原人参萜二醇
Saccharomyces cerevisiae	三萜生物合成	SQS	squalene synthase	催化	催化两分子FPP缩合生成鲨烯
Escherichia coli	类胡萝卜素生物合成	CrtE	GGPP合酶	催化	催化IPP和DMAPP缩合生成GGPP
Escherichia coli	类胡萝卜素生物合成	CrtB	八氢番茄红素合酶	催化	催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素
Escherichia coli	类胡萝卜素生物合成	CrtI	八氢番茄红素脱氢酶（番茄红素合酶）	催化	催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素
Escherichia coli	类胡萝卜素生物合成	IDI	异戊烯基焦磷酸异构酶	催化	来自Haematococcus pluvialis等，增强IPP/DMAPP供应
Escherichia coli	苯丙烷代谢	PAL	苯丙氨酸解氨酶	催化	来自Rhodotorula rubra，转化苯丙氨酸为肉桂酸
Escherichia coli	苯丙烷代谢	4CL	4-香豆酸辅酶A连接酶	催化	活化香豆酸为香豆酰辅酶A
Escherichia coli	黄酮类生物合成	CHS	查尔酮合酶	催化	催化香豆酰辅酶A与丙二酰辅酶A缩合生成查尔酮
Escherichia coli	黄酮类生物合成	CHI	查尔酮异构酶	催化	将查尔酮异构化为黄烷酮
Saccharomyces cerevisiae	黄酮类生物合成	C4H	肉桂酸-4-羟化酶	催化	细胞色素P450酶，催化肉桂酸羟基化为4-香豆酸
Escherichia coli	黄酮类生物合成	FNS	黄酮合成酶	催化	包括FNSI和FNSII，催化黄烷酮脱氢生成黄酮
Escherichia coli	黄酮类生物合成	F3H	黄烷酮3β-羟化酶	催化	催化黄烷酮羟基化生成二氢黄酮醇
Streptomyces venezuelae	黄酮类生物合成	MatC	丙二酸转运蛋白	转运	将外源丙二酸转运入胞内增强丙二酰辅酶A供应
Saccharomyces cerevisiae	异黄酮生物合成	IFS	异黄酮合酶	催化	细胞色素P450 CYP93C，催化黄烷酮的芳基迁移
Escherichia coli	苄基异喹啉生物碱生物合成	MAO	单胺氧化酶	催化	来自Micrococcus luteus，催化多巴胺脱氨生成3,4-DHPAA
Escherichia coli	苄基异喹啉生物碱生物合成	NCS	去甲乌药碱合酶	催化	来自Coptis japonica CjPR10A，催化多巴胺与3,4-DHPAA缩合
Escherichia coli	苄基异喹啉生物碱生物合成	6OMT	去甲乌药碱-6-O-甲基转移酶	催化	催化去甲乌药碱6位甲基化
Escherichia coli	苄基异喹啉生物碱生物合成	CNMT	可卡因-N-甲基转移酶	催化	催化N-甲基化
Escherichia coli	苄基异喹啉生物碱生物合成	4'OMT	3'-羟基-N-甲基可卡因-4'-O-甲基转移酶	催化	催化4'-O-甲基化生成网状番荔枝碱
Saccharomyces cerevisiae	苄基异喹啉生物碱生物合成	CYP80G2	corytuberine synthase	催化	细胞色素P450，催化生成木兰花碱
Escherichia coli	甲羟戊酸(MVA)途径	—	合成蛋白支架	区室化	共定位AACS、HMGS和HMGR，提高甲羟戊酸产量77倍

关键发现

在青蒿素方面，在大肠杆菌中通过表达优化的MVA途径和植物合成酶，amorphadiene产量最高达27.4 g/L
在酿酒酵母中通过过表达MVA途径和工程化发酵，artemisinic acid产量达25 g/L。紫杉醇前体方面，在大肠杆菌中优化MEP和萜类合成途径后，taxadien-5α-ol产量约1 g/L
在酵母中taxadiene产量8.7 mg/L。人参皂苷方面，通过工程化酵母和两相萃取发酵，20S-protopanaxadiol产量达1189 mg/L，dammarenediol-II达1548 mg/L。类胡萝卜素方面，大肠杆菌中通过代谢工程和发酵优化，lycopene最高产量为283 mg/L。黄酮类方面，通过增强丙二酰辅酶A供应，pinocembrin在大肠杆菌中最高达710 mg/L，naringenin达474 mg/L
在工业酿酒酵母中resveratrol产量达391 mg/L。生物碱方面，通过酪氨酸高产菌株和人工BIA途径，从甘油出发(S)-reticuline最高产量为46.0 mg/L。

研究结论

微生物异源生产植物次级代谢物是可行的，并已实现多种高价值化合物的较高产量，但仍需提高植物基因的功能表达水平、增强前体供应，并开发更多代谢工程工具以实现工业应用。