Terpenoids: Opportunities for Biosynthesis of Natural Product Drugs Using Engineered Microorganisms
- 作者
- Parayil Kumaran Ajikumar, Keith Tyo, Simon Carlsen, Oliver Mucha, Too Heng Phon, Gregory Stephanopoulos
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology; Chemical and Pharmaceutical Engineering, Singapore-MIT Alliance
- 杂志
- Molecular Pharmaceutics（2008）
- DOI
- 10.1021/mp700151b
- 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
萜类天然药物在自然界中含量低、供应受限，需要利用代谢工程和合成生物学手段在微生物中高效合成
研究策略
综述了萜类生物合成途径（MVA和MEP），总结了通过增强前体供应、异源表达途径、调控关键基因及全局调控等策略在微生物中生产萜类化合物的研究进展
核心内容
该综述系统总结了利用代谢工程与合成生物学手段在微生物中生产萜类天然药物的研究进展。鉴于萜类化合物在自然界中含量极低、供应受限，作者着重解析了甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓醇磷酸（MEP）两条前体供给途径，并梳理了增强前体供应、异源构建合成途径、关键基因调控及全局代谢调控等策略在细菌和酵母中的应用。关键数据显示，通过代谢工程改造已实现萜类产量超过100倍的提升，例如在大肠杆菌中8-羟基双烯和青蒿酸分别达到60±2 mg/L和105±10 mg/L，酵母中最高产量达到153 mg/L；通过下调ERG9使amorpha-4,11-二烯产量提高5倍，再结合tHMG过表达进一步增加2倍。该工作指出微生物合成萜类潜力巨大，但复杂途径重构和P450酶功能性表达仍是瓶颈，未来需发展系统级代谢工程方法以克服这些挑战。
创新点
系统总结了利用工程微生物生产萜类的多种代谢工程策略，包括MEP/MVA途径优化、异源途径构建、P450酶表达等，并提出了提高产量的关键挑战
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | ispC | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径第二步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | ispD | 4-二磷酸胞苷-2C-甲基-D-赤藓醇转移酶 | 催化 | MEP途径第三步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | ispE | 4-二磷酸胞苷-2C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | MEP途径第四步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | ispF | 2C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第五步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | ispG | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸合酶 | 催化 | MEP途径倒数第二步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | ispH | 4-羟基-3-甲基-2-(E)-丁烯基-4-二磷酸还原酶 | 催化 | MEP途径最后一步 |
| Escherichia coli | MEP途径 | idi | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | IPP与DMAPP互变 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | tHMG | 截短的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达以提高前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径/甾醇合成 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 下调其表达减少角鲨烯分流 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | ERG20 | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP生成FPP |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | upc2-1 | UPC2突变体转录因子 | 调控 | 全局调控甾醇合成基因 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径/乙酰辅酶A代谢 | ALD6 | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 提供乙酰辅酶A前体 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径/乙酰辅酶A代谢 | ACS1 | 乙酰辅酶A合成酶 | 催化 | 来自沙门氏菌的突变体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | crtE, crtB, crtI, crtY | 香叶基香叶基焦磷酸合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶、番茄红素环化酶 | 催化 | 用于生产番茄红素和β-胡萝卜素 |
| Candida utilis | 萜类合成 | crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ, crtW | 类胡萝卜素合成相关酶 | 催化 | 用于生产番茄红素、β-胡萝卜素和虾青素 |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇合成 | GGPPS | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇合成 | TS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇合成 | TYH5a | 细胞色素P450紫杉二烯5α-羟化酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇合成 | TAT | 紫杉二烯醇5α-O-乙酰转移酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇合成 | THY10b | 紫杉烷10β-羟化酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素前体合成 | amorpha-4,11-diene synthase | amorpha-4,11-二烯合酶 | 催化 | 生产青蒿素前体amorpha-4,11-二烯 |
关键发现
- 该综述指出通过代谢工程改造已实现超过100倍的萜类产量提升
- 例如大肠杆菌中生产8-羟基双烯和青蒿酸分别达到60±2 mg/L和105±10 mg/L
- 酵母中最高产量达到153 mg/L
- 紫杉二烯在大肠杆菌中产量为1.3 mg/L，在酵母中为1 mg/L，而taxadien-5α-醇约为25 μg/L
- ERG9下调使amorpha-4,11-二烯产量提高5倍，再结合tHMG过表达提高2倍
- ACS1过表达使产量提高8-23%
研究结论
微生物合成萜类有巨大潜力，但需克服复杂途径重构和P450酶功能性表达等挑战，未来需要进一步发展系统级代谢工程方法