Biotransformations using plant cells, organ cultures and enzyme systems: current trends and future prospects
- 作者
- Archana Giri, Vikas Dhingra, C.C. Giri, Ajay Singh, Owen P. Ward, M. Lakshmi Narasu
- 单位
- Centre for Biotechnology, Institute of PG Studies and Research, Jawaharlal Nehru Technological University; Centre for Plant Molecular Biology, Department of Genetics, Osmania University; Department of Biology, University of Waterloo
- 杂志
- Biotechnology Advances（2001）
- DOI
- 10.1016/S0734-9750(01)00054-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用植物细胞、器官培养和植物酶系统作为生物催化剂，实现化学合成难以完成的复杂化合物（如芳香族、类固醇、生物碱、香豆素、萜类等）的区域选择性、立体选择性和对映选择性转化，并提高转化效率和产物收率。
研究策略
系统综述植物细胞/器官培养及酶系统的生物转化反应类型（羟基化、糖基化、氧化还原、水解、环氧化、硝基还原等），讨论固定化细胞/酶技术、遗传工程（异源表达、基因克隆、定点突变、靶向定位）等优化手段，并列举大量代表性案例和定量数据。
核心内容
该文系统综述了利用植物细胞、器官培养及植物酶系统作为生物催化剂进行复杂化合物生物转化的研究进展。作者归纳了羟基化、糖基化、氧化还原、水解和硝基还原等主要反应类型，并重点讨论了固定化细胞和酶技术在提高催化剂稳定性和重复使用性方面的作用，以及通过遗传工程（如异源表达关键酶、融合转运肽实现靶向定位）来优化转化效率的策略。文章列举了大量代表性案例：黧豆固定化细胞利用对香豆酸和L-缬氨酸组合，辣椒素产率达到3.07 mg/g干重/天；Rhodiola sachalinensis培养体系中，添加酪醇后红景天苷产量最高达516 μmol/g；表达Hafnia alvei赖氨酸脱羧酶的烟草毛状根，尸胺产量提高10倍。此外，(S)-羟腈裂解酶催化的不对称合成可达到80–100%的对映体过量。这些结果表明，结合固定化与分子生物学策略可显著提升植物生物转化的效率和产物收率，为制药及精细化学品领域中难以通过化学合成实现的区域选择性和立体选择性转化提供了可行的替代路径。
创新点
全面归纳了植物细胞、器官和酶系统的生物转化应用；提出固定化细胞和酶可提高稳定性和重复使用性；通过遗传工程（如异源表达关键酶、融合转运肽靶向质体）显著提升生物转化效率；展示了多种高附加值产物（如鬼臼毒素、红景天苷、辣椒素、东莨菪碱等）的制备路径。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus（长春花）悬浮细胞 | 吲哚生物碱生物合成 | — | strictosidine synthase（异胡豆苷合酶） | 催化 | 表2：固定化酶催化catharanthine与vindoline偶联生成3',4'-anhydrovinblastine和leurosine |
| Digitalis lanata（毛地黄）细胞培养 | 强心苷生物合成 | — | digitoxin 12β-hydroxylase（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 将β-甲基洋地黄毒苷羟基化为β-甲基地高辛 |
| Mucuna pruriens（黧豆）固定化细胞 | 酚类代谢 | — | phenoloxidase（酚氧化酶） | 催化 | 将L-酪氨酸转化为L-DOPA；也可用于连续生产7,8-二羟基-N-二正丙基-2-氨基四氢萘 |
| Hyoscyamus niger（莨菪）根培养 | 托烷生物碱生物合成 | h6h | hyoscyamine 6β-hydroxylase（天仙子胺6β-羟化酶） | 催化 | 催化天仙子胺转化为6β-羟基天仙子胺和东莨菪碱 |
| Escherichia coli（重组大肠杆菌） | 托烷生物碱生物合成 | h6h | hyoscyamine 6β-hydroxylase | 催化 | 异源表达来自H. niger的h6h，可将天仙子胺转化为东莨菪碱 |
| Nicotiana tabacum（烟草）毛状根 | 烟碱/毒藜碱生物合成 | ldc | 赖氨酸脱羧酶 | 催化 | 表达Hafnia alvei的ldc基因，cadaverine产量增加10倍、anabasine增加3倍 |
| Nicotiana tabacum（烟草）毛状根 | 烟碱/毒藜碱生物合成 | ldc（融合rbcS转运肽） | 赖氨酸脱羧酶（靶向白色体） | 区室化 | 通过rbcS转运肽将细菌赖氨酸脱羧酶定位到白色体，提高前体赖氨酸供应，进一步增加代谢通量 |
| Carica papaya（番木瓜）乳胶 | 蛋白质水解 | — | papain（木瓜蛋白酶） | 催化 | 硫醇蛋白酶，区域选择性水解肽键和酯键，可催化可逆反应 |
| Prunus amygdalus（苦杏仁）等植物 | 生氰苷代谢 | — | (R)-羟腈裂解酶（oxynitrilase） | 催化 | 催化HCN对醛的加成合成(R)-cyanohydrins；(S)-酶来自高粱、橡胶树、木薯，ee达80-100% |
| Glycine max（大豆） | 脂肪酸氧化 | — | lipoxygenase（脂氧合酶） | 催化 | 催化含Z,Z-1,4-二烯结构的多不饱和脂肪酸氧化，用于绿色风味物质（己烯醛等）合成 |
| Capsicum frutescens（辣椒）固定化细胞 | 辣椒素生物合成 | — | caffeic acid O-methyltransferase（咖啡酸O-甲基转移酶） | 催化 | 将原儿茶醛和咖啡酸转化为香草醛和辣椒素；经S-腺苷-L-甲硫氨酸处理后酶活升高 |
关键发现
- Linum album细胞培养中木脂素最高产量黑暗下为干重的0.2%、光照下为0.5%
- Juniperus chinensis愈伤组织鬼臼毒素含量为干重的0.005%，添加苯丙氨酸和壳寡糖后产量分别提高11倍和15倍
- Rhodiola sachalinensis培养加入1 mmol/L酪醇后24 h内95%转化为红景天苷，重复添加3 mmol/L酪醇72 h后红景天苷产量达516 μmol/g
- Capsicum frutescens固定化组织用对香豆酸和L-缬氨酸组合，辣椒素产率为3.07 mg/g干重/天
- 表达Hafnia alvei的ldc基因的烟草毛状根中尸胺产量提高10倍、毒藜碱提高3倍
- Podophyllum peltatum细胞系在生物反应器中经15个24 h循环，丁内酯氧化偶联生成鬼臼毒素类似物产率达50%
- (S)-羟腈裂解酶合成(S)-cyanohydrins的对映体过量（ee）为80-100%。
研究结论
植物细胞、器官和酶系统用于体外生物转化的研究进展相对缓慢，但其生物催化潜力巨大。通过分子生物学手段研究代谢途径中的关键酶和基因，结合固定化及遗传工程策略，可以显著提高转化效率，推动植物生物转化在制药和精细化学品领域的实际应用。