Sunlight-driven Environmental Benign Production of Bioactive Natural Products with Focus on Diterpenoids and the Pathways Involved in their Formation
- 作者
- Dan Luo, Birger Lindberg Møller, Irini Pateraki
- 单位
- Plant Biochemistry Laboratory, Department of Plant and Environmental Sciences, University of Copenhagen; VILLUM Research Center for Plant Plasticity; Center for Synthetic Biology 'bioSYNergy'
- 杂志
- CHIMIA International Journal for Chemistry（2017）
- DOI
- 10.2533/chimia.2017.851
- 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
复杂二萜类化合物具有重要药用价值，但其天然来源有限、化学合成困难，缺乏可持续且环境友好的生产途径。
研究策略
综述从植物中发现二萜生物合成基因，利用异源宿主（酵母、大肠杆菌）和光合细胞（蓝藻、绿藻、苔藓）进行光驱动生产，结合合成生物学模块化重构途径。
核心内容
该综述聚焦于复杂二萜类化合物的可持续生产问题。这类化合物药用价值显著，但天然来源稀缺且化学合成难度大。作者系统梳理了从植物中发现二萜生物合成基因的策略，并重点评述了以酵母、大肠杆菌等异养宿主以及蓝藻、绿藻、苔藓等光合生物为底盘的光驱动生产系统，结合合成生物学模块化重构方法实现目标产物的环境友好合成。关键数据显示，从Euphorbia peplus直接提取ingenol mebutate仅得1.1 mg/kg，远不能满足商业化需求；而在酵母中完整重构forskolin合成途径，产量可达40 mg/L。此外，植物中二萜类化合物超过11,000种，P450氧化酶在被子植物中平均每物种约300个成员，凸显了基因资源挖掘的巨大空间。该文指出，利用太阳能和CO2的光驱动生物技术是未来获取结构复杂二萜的极具前景的途径，但当前仍需优化光合底盘的效率与产量，方能在经济性上与基于酵母或大肠杆菌的传统发酵体系竞争。
创新点
提出以光合微生物和苔藓为底盘的光驱动生产系统，利用太阳能和CO2实现环境友好的复杂二萜类化合物生产；整合基因发现、功能表征和途径重构策略。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae（酵母） | 二萜生物合成途径（forskolin途径） | — | 二萜合酶、P450 | 催化 | 用于异源重构forskolin完整生物合成途径，产量达40 mg/L |
| Escherichia coli（大肠杆菌） | 二萜生物合成途径 | — | 重组酶 | 催化 | 用于重组酶的体外表达与功能表征 |
| 蓝藻（cyanobacteria） | 光合作用及二萜生物合成 | — | P450 | 催化 | 作为光驱动生产底盘，P450靶向类囊体膜 |
| 绿藻（green algae） | 光合作用及二萜生物合成 | — | P450、二萜合酶 | 催化 | 叶绿体中与光合复合体共定位二萜合成途径 |
| 苔藓（moss） | 光合作用及二萜生物合成 | — | P450、二萜合酶 | 催化 | 叶绿体中与光合复合体共定位二萜合成途径 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 二萜生物合成途径 | — | P450、二萜合酶 | 催化 | 农杆菌瞬时表达系统用于候选基因快速功能筛选 |
| — | MEP途径 | — | — | 能量供给 | 位于质体，提供单萜和二萜生物合成的C5前体IPP/DMAPP |
| — | MVA途径 | — | — | 能量供给 | 位于细胞质，提供倍半萜和三萜生物合成的前体 |
| — | 二萜生物合成（GGPP环化） | CfTPS2, CfTPS3 | 二萜合酶 | 催化 | 来自Coleus forskohlii，催化形成13R-9,13-manyl oxide |
| — | 二萜生物合成（环化） | casbene synthase (CBS) | 二萜合酶 | 催化 | 催化GGPP形成casbene，依赖电离的环化酶 |
| — | 二萜生物合成（环化） | taxadiene synthase | 二萜合酶 | 催化 | 催化GGPP形成taxadiene，参与紫杉醇前体合成 |
| — | 萜类修饰 | — | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化羟基化、酮化、环氧化等氧化修饰，需P450还原酶提供电子 |
| — | 萜类修饰 | — | 短链醇脱氢酶（SDRs） | 催化 | 催化氧化/还原反应，多数参与萜类合成，如zerumbone synthase等 |
关键发现
- 从Euphorbia peplus地上组织直接提取ingenol mebutate仅得1.1 mg/kg，难以商业化
- 目前ingenol mebutate通过半合成生产，以Euphorbia lathyris种子油水解产物为原料
- 在酵母中完整重构forskolin生物合成途径，产量达40 mg/L
- 植物二萜类化合物超过11,000种，P450在被子植物中平均每物种约300个成员
- 短链醇脱氢酶（SDRs）典型大小为25/30 kDa，约250个氨基酸残基。
研究结论
光驱动生物技术生产是未来获得结构复杂植物二萜类化合物的理想途径，但需优化光合生产系统以与基于酵母或大肠杆菌的传统发酵系统竞争。