Plant-derived terpenes: A feedstock for specialty biofuels
- 作者
- Ritesh Mewalal, Durgesh K. Rai, David Kainer, Feng Chen, Carsten Külheim, Gary F. Peter, Gerald A. Tuskan
- 单位
- Biosciences Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, 37831, USA; Biology and Soft Matter Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge Tennessee, 37831, USA; Research School of Biology, The Australian National University, Canberra, ACT 2601, Australia; Department of Plant Sciences, University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA; School of Forest Resources and Conservation, University of Florida, Gainesville, Florida, 32611, USA
- 杂志
- Trends in Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.tibtech.2016.08.003
- 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
植物天然产生和储存多种萜烯，但特定萜烯在植物中产量低，缺乏商业回收的可行性；同时微生物平台存在萜烯毒性、低产量和后翻译修饰缺失等问题，亟需开发基于植物的可持续萜烯生物燃料生产系统。
研究策略
采用系统生物学方法整合多组学数据，解析植物萜烯生物合成的分子机制；结合合成生物学（如CRISPR-Cas9、多基因堆叠）和选择性育种，对模式植物和桉树等能源作物进行代谢工程改造，并利用短轮伐矮林农艺系统实现商业化生产。
核心内容
该文综述了以植物萜烯为原料生产特种生物燃料的策略。针对微生物合成萜烯存在的毒性、产量低等瓶颈，作者提出利用植物天然具备的合成、储存能力，发展基于桉树等能源作物的生产体系。文中整合系统生物学、合成生物学与选择性育种手段，揭示了萜烯生物合成网络，并通过工程化甲羟戊酸途径在微生物中实现双萨烯产量超过0.90克/升，沙宾烯达2.65克/升。在植物平台方面，Eucalyptus polybractea叶片萜烯含量自然变异达20倍，最优个体油浓度可达19.1%；基因工程使转基因薄荷单萜含量提高逾78%。研究评估了桉树短轮伐矮林系统，其能量生产力达206吉焦/公顷·年，按全球现有2000万公顷桉树估算可年产1000万吨萜烯燃料，满足航空燃油年消耗量的5%以上。结果表明，结合植物区室化储存优势与成熟农艺技术，植物源萜烯可成为可持续生物燃料的可行路线。
创新点
提出以桉树短轮伐矮林农业系统作为萜烯生物燃料生产平台，结合油腺储存腔的区室化优势，避免微生物表达系统中的萜烯毒性问题；利用系统生物学网络模型预测和指导代谢工程；提出从组学分析到工程改造再到田间生产的完整商业化路线图。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 萜烯生物合成（异源） | Abies grandis (E)-α-bisabolene synthase | (E)-α-bisabolene synthase | 催化 | 重组表达生产bisabolene，产量>0.90 g/L |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 甲羟戊酸(MVA)途径 | Abies grandis (E)-α-bisabolene synthase | (E)-α-bisabolene synthase | 催化 | bisabolene产量>0.90 g/L |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 甲羟戊酸(MVA)前体途径 | — | — | 催化 | 工程化MVA途径生产sabinene，产量2.65 g/L |
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 萜烯合成 | — | — | 催化 | 生产β-caryophyllene，产量1.05-1.52 g/L |
| Eucalyptus polybractea | 单萜生物合成 | terpene synthase (TPS) 家族 | TPS酶 | 催化 | 叶萜烯含量自然变异0.7-13.0% DW，主要单萜为1,8-桉叶素 |
| 薄荷 (Mentha sp.) | 单萜生物合成 | 候选基因（未指明） | — | 调控 | 转基因薄荷单萜含量增加>78%，温室和大田试验 |
| 大肠杆菌 (表达Populus trichocarpa基因) | 二萜生物合成 | PtTPS19, PtTPS20 | ent-kaurene synthase / 16α-hydroxy-ent-kaurane synthase | 催化 | 单氨基酸差异改变产物特异性 |
| 火炬松 (Pinus taeda) | 蒎烯合成 | (+)-α-pinene synthase, (-)-α-pinene synthase | α-pinene synthase | 催化 | 催化合成α-pinene对映异构体 |
| 桉树油腺 (Eucalyptus oil glands) | 萜烯储存 | — | — | 区室化 | 储存腔容纳挥发性萜烯，避免植物毒性 |
| 桉树分泌细胞 (Eucalyptus secretory cells) | 萜烯转运 | — | 未知转运蛋白 | 转运 | 负责将前体从叶肉细胞运至分泌细胞，并将代谢物运至储存腔 |
关键发现
- 微生物平台可实现bisabolene在大肠杆菌和酿酒酵母中产量>0.90 g/L
- 通过工程化MVA途径，大肠杆菌中sabinene产量达2.65 g/L，β-caryophyllene产量达1.05-1.52 g/L。植物方面，Eucalyptus polybractea叶萜烯含量自然变异0.7-13.0% DW（约20倍），转基因薄荷单萜含量增加>78%。E. polybractea最优个体产油量137 g/715.6 g干叶（19.1%油浓度），按5000株/ha种植可年产686 kg精油/ha。全球现有2000万公顷桉树按500 kg/ha/年可利用萜烯计，可生产1000万吨高能喷气燃料，满足全球年消费量（1.81亿吨）的5%以上。桉树短轮伐系统的能量生产力达206 GJ/ha/年，其中35.5%来自叶片。茶树油经3轮选择产量从148提升至300 kg/ha。然而采伐和蒸馏过程中精油损失可达25%。
研究结论
植物凭借其固有的合成、运输、储存萜烯的能力，是商业化生产萜烯生物燃料的可行平台。通过系统生物学指导的合成生物学和选择性育种，结合成熟的造林和采收技术，植物源萜烯有望成为可持续的特殊生物燃料。