Metabolic engineering of the paclitaxel anticancer drug
- 作者
- Audrey Oudin, Nicolas Papon, Vincent Courdavault
- 杂志
- Cell Research（2024）
- DOI
- 10.1038/s41422-024-00950-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
紫杉醇生物合成途径中负责形成氧杂环丁烷环和C9羟化的关键酶长期未被鉴定，导致无法在异源宿主中重构完整途径以高效生产前体baccatin III。
研究策略
结合基因组挖掘、系统发育推断和本氏烟草瞬时共表达筛选（用于鉴定TOT1），以及基于多组学共表达谱的‘guilty by association’策略（用于鉴定T9aH1），并将全部已知生物合成基因共表达于本氏烟草中重构baccatin III合成。
核心内容
该研究针对紫杉醇生物合成途径中长期缺失的关键酶问题，通过基因组挖掘、系统发育推断和本氏烟草瞬时共表达筛选，成功鉴定了两个关键酶：双功能紫杉烷草酸环化酶TOT1和紫杉烷-9α-羟化酶T9aH1，分别负责氧杂环丁烷环的形成和C9位羟基化。研究进一步利用多组学共表达谱的“guilty by association”策略验证了T9aH1的功能，并将全部已知的生物合成基因共表达于本氏烟草中，首次在异源宿主中成功重构了baccatin III的合成途径，初步产量达到50 ng/g干重。这一成果填补了紫杉醇生物合成途径的酶学空白，为紫杉醇前体的可持续生物制造提供了概念验证。同时，该研究展示了高质量基因组、系统发育分析、多组学数据与瞬时表达系统相结合在解析复杂植物代谢途径中的巨大潜力，为未来通过代谢工程高效生产紫杉醇及其衍生物奠定了重要基础。
创新点
鉴定了紫杉醇生物合成途径中两个长期缺失的酶：双功能紫杉烷草酸环化酶TOT1（催化氧杂环丁烷环形成）和紫杉烷-9α-羟化酶T9aH1（催化C9羟基化）；首次在异源宿主本氏烟草中成功重构baccatin III合成途径。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 紫杉醇生物合成途径 (paclitaxel biosynthetic pathway) | TOT1 | Taxane oxetanase 1 (TOT1) | 催化 | 双功能酶，负责在紫杉烷中间体上形成氧杂环丁烷环（oxetane ring） |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 紫杉醇生物合成途径 (paclitaxel biosynthetic pathway) | T9aH1 | Taxane-9α-hydroxylase 1 (T9aH1) | 催化 | 催化紫杉烷三环中间体C9位羟基化 |
关键发现
- 通过共表达7个先前已知的baccatin III合成基因与TOT1和T9aH1，在本氏烟草中成功合成了baccatin III，初步产量为50 ng/g干重（痕量水平）
- 紫杉醇市场在2023年估值超过50亿美元，预计2032年达150亿美元。
研究结论
该研究填补了紫杉醇生物合成途径的酶学空白，并在异源植物宿主中实现了baccatin III的从头合成，为紫杉醇前体的可持续生物制造提供了概念验证；同时展示了高质量基因组、系统发育分析、多组学数据与瞬时表达系统相结合在解析复杂植物代谢途径中的巨大潜力。