Searching for Artemisinin Production Improvement in Plants and Micro-organisms
- 作者
- Katarzyna Barbacka, Wanda Baer-Dubowska
- 单位
- Poznan University of Medical Sciences, Department of Pharmaceutical Biochemistry
- 杂志
- Current Pharmaceutical Biotechnology（2011）
- DOI
- 10.2174/138920111798376923
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素作为抗疟疾药物的重要来源，目前主要依赖植物提取，但含量低（0.1%-1.5%干重）且成本高，需要开发更高效、经济的生产方法以满足日益增长的需求。
研究策略
综述了通过传统育种、植物组织培养、植物基因工程以及微生物代谢工程（如大肠杆菌和酿酒酵母）提高青蒿素及其前体产量的多种策略，重点介绍了代谢途径工程改造、关键酶表达、竞争途径抑制和前体供给优化。
核心内容
青蒿素目前主要依赖黄花蒿植物提取，但其含量仅占干重的0.1%–1.5%，成本高昂。该综述系统比较了在植物和微生物中提高青蒿素产量的多种代谢工程策略。在植物方面，过表达法尼基焦磷酸合酶（FPS）使青蒿素含量达到8–10 mg/g干重，为野生型的2–3倍；RNAi抑制鲨烯合酶（竞争通路关键酶）可进一步提升至31.4 mg/g干重，约提高3倍。在微生物方面，工程大肠杆菌摇瓶发酵青蒿素前体amorphadiene最高达300 mg/L，经P450 BM3突变体氧化可产生250 mg/L artemisinic-11S,12-epoxide；工程酿酒酵母中artemisinic acid摇瓶产量达32 mg/L，共表达FPS、ADS及CYP71AV1等关键酶后产量提高至约29.4 g/L。在生物反应器规模下，大肠杆菌两相发酵amorphadiene可达27.4 g/L，酿酒酵母artemisinic acid达2.5 g/L。该综述表明，微生物代谢工程结合发酵与合成化学是扩大青蒿素供应、降低成本的最有前景路径，而植物细胞培养和基因工程虽取得进展，但仍面临规模化挑战。
创新点
系统总结了植物和微生物中青蒿素生物合成的最新进展，包括异源表达植物P450酶、使用底物杂泛酶P450 BM3突变体、动态调控前体供给和发酵过程优化等创新方法。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成（MVA途径） | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 过表达FPS使青蒿素含量达8-10 mg/g DW，为野生型的2-3倍 |
| Artemisia annua | MVA途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 转入Catharanthus roseus的HMGR基因，青蒿素含量增加22.5% |
| Artemisia annua | 甾醇合成（竞争通路） | SS (SQS) | 鲨烯合酶 | 催化 | RNAi抑制其表达，青蒿素含量达31.4 mg/g DW，约3倍提高 |
| Artemisia annua | 细胞分裂素合成 | ipt | 异戊烯基转移酶 | 催化 | 过表达ipt使青蒿素含量增加30%-70% |
| Escherichia coli | MVA途径（异源） | ADS | amorphadiene synthase | 催化 | 与MVA通路共表达，摇瓶最高产amorphadiene 300 mg/L |
| Escherichia coli | 青蒿素前体氧化 | CYP71AV1 | amorphadiene oxidase（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 密码子优化结合N端修饰，与A. annua CPR共表达使artemisinic alcohol产量提高12倍至5.6 mg/L |
| Escherichia coli | 青蒿素前体氧化 | P450 BM3 (CYP102A1) 突变体 | P450 BM3 | 催化 | 突变F87A/A328L/R47L/Y51F，选择性氧化amorphadiene生成artemisinic-11S,12-epoxide，产量250 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | ADS | amorphadiene synthase | 催化 | 质粒表达产amorphadiene 600 μg/L，基因组整合为100 μg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | tHMG1 | 截短的HMG-CoA还原酶 | 催化 | 过表达使amorphadiene产量提高约5倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG9 | 鲨烯合酶 | 催化 | 甲硫氨酸可抑制启动子下调ERG9，amorphadiene产量增加2倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成调控 | UPC2-1 | UPC2转录因子突变体 | 调控 | 增强甾醇生物合成转录因子活性，与ERG9下调联用amorphadiene达105 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素合成 | CYP71AV1, CPR, DBR2 | amorphadiene oxidase, 细胞色素P450还原酶, 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 共表达使artemisinic acid达29.4 g/L（无DBR2）或11.8 g/L并积累15.7 g/L dihydroartemisinic acid（有DBR2） |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙酮酸脱氢酶旁路 | ALD6, ACS | 乙醛脱氢酶, 乙酰辅酶A合成酶 | 催化 | 过表达ACS使amorphadiene产量增加8%-23%；突变型ACS（来自Salmonella）与ALD6共表达提高积累 |
| Escherichia coli | MVA途径 | mvaS, mvaE (来自Staphylococcus aureus) | HMG-CoA合酶, HMG-CoA还原酶 | 催化 | 替换酵母基因，限碳限氮培养，amorphadiene产量达27.4 g/L |
关键发现
- 植物中青蒿素含量仅为干重的0.1%-1.5%
- 转基因黄花蒿过表达FPS使青蒿素含量达8-10 mg/g DW（为野生型的2-3倍）
- 过表达HMGR使含量增加22.5%
- RNAi抑制鲨烯合酶使含量达31.4 mg/g DW（约3倍提高）
- 过表达ipt使青蒿素增加30%-70%。工程大肠杆菌产amorphadiene最高达300 mg/L（摇瓶），优化后氧化至553 mg/L
- P450 BM3突变体选择性氧化amorphadiene产生artemisinic-11S,12-epoxide达250 mg/L。工程酿酒酵母中amorphadiene产量达153 mg/L，artemisinic acid达32 mg/L（摇瓶）
- 共表达FPS、ADS、CYP71AV1等使artemisinic acid达29.4 g/L（另有菌株为11.8 g/L并积累15.7 g/L dihydroartemisinic acid）。在生物反应器中，大肠杆菌两相发酵amorphadiene达0.4 g/L，酿酒酵母artemisinic acid达2.5 g/L，经菌株工程后大肠杆菌amorphadiene达27.4 g/L。
研究结论
微生物代谢工程是提高青蒿素产量最有前景的途径，结合发酵和合成化学可降低成本并扩大供应；植物细胞培养和基因工程虽有进展，但面临成本和规模化挑战。