Plant diterpene synthases: exploring modularity and metabolic diversity for bioengineering
- 作者
- Philipp Zerbe, Jörg Bohlmann
- 单位
- University of California at Davis, Plant Biology Department; Michael Smith Laboratories, University of British Columbia
- 杂志
- Trends in Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1016/j.tibtech.2015.04.006
- 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
植物二萜类化合物具有重要工业价值，但天然丰度低、结构复杂，难以通过化学合成或直接提取获得；如何利用二萜合酶（diTPS）的模块化特性和功能多样性，通过代谢工程和合成生物学实现高价值二萜类化合物的高效生物生产。
研究策略
整合基因组学、转录组学、代谢组学和生物化学手段进行基因发现与酶功能表征；基于diTPS模块化结构（α/β/γ结构域）和途径模块化（类II/类I diTPS组合），在微生物（大肠杆菌、酿酒酵母）和植物（本氏烟草、小立碗藓等）中重构和优化二萜生物合成途径。
核心内容
植物二萜类化合物具有数十亿美元级的商业价值，但天然丰度低、结构复杂，难以通过化学合成或直接提取获得。该文系统综述了利用植物二萜合酶（diTPS）的模块化特性，通过代谢工程和合成生物学实现高价值二萜高效生物生产的策略。研究者整合基因组学、转录组学、代谢组学与生化手段进行基因挖掘和酶功能表征，揭示了diTPS的α/β/γ结构域模块化及其在二萜多样性生成中的作用，并提出了LEGO-like模块化二萜途径概念。关键发现包括：过去五年功能表征的diTPS数量几乎翻倍，多个可形成含氧产物的diTPS突破了传统认为氧化仅由P450完成的认知；单个氨基酸替换即可改变产物特异性，如将abietadiene synthase转变为pimaradiene特异环化酶；已在E. coli和酵母中实现紫杉二烯、香紫苏醇、milthiradiene等二萜前体生产，在N. benthamiana中共表达DXS和GGPP合酶可显著提高二萜产量。这些进展表明diTPS的模块化结构和功能可塑性为复杂二萜化合物的微生物和植物体系生产提供了丰富的天然工具包。
创新点
揭示了diTPS的模块化结构及其在二萜多样性生成中的作用；发现多个产生含氧二萜的diTPS，突破了传统认为氧化仅由P450完成的认识；提出LEGO-like模块化二萜途径概念；建立多种微生物和植物二萜工程平台，并通过单氨基酸替换实现产物特异性改变。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana | 二萜生物合成（地下防御） | TPS08 | 根茎烯合酶（rhizathalene synthase） | 催化 | I类diTPS，直接转化GGPP，参与地下草食动物防御 |
| Selaginella moellendorffii | 二萜生物合成 | SmdiTPS | 双功能二萜合酶（labdadien-15-ol合酶） | 催化 | 双功能I/II类diTPS，生成含氧二萜labdadien-15-ol |
| Picea abies | 树脂酸生物合成 | PaLAS | 左旋海松酸/枞酸合酶 | 催化 | 双功能diTPS，生成13-羟基-8(14)-abietene等中间体 |
| Salvia sclarea | 香紫苏醇生物合成 | SsLPP/ SsTPS | LPP合酶和I类diTPS | 催化 | 联合催化生成香紫苏醇前体，用于香料工业 |
| Taxus brevifolia | 紫杉醇生物合成 | TXS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 催化GGPP环化形成taxadiene，紫杉醇生物合成关键步骤 |
| Escherichia coli | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达以提高异戊二烯前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 下调以减少碳流分流至甾醇合成 |
| Nicotiana benthamiana | 二萜生物合成 | GGPPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 与DXS共表达提高GGPP供应，增强二萜产量 |
| Physcomitrella patens | 二萜生物合成 | PpCPS/KS | 双功能对映-贝壳杉烯合酶 | 催化 | 内源单diTPS，可沉默并替换为异源diTPS |
关键发现
- 植物产生数千种二萜类代谢物，其中紫杉醇、香紫苏醇等商业价值每年数十亿美元
- 过去5年功能表征的diTPS数量几乎翻倍，发现多个可形成含氧产物的diTPS
- 单个氨基酸替换即可改变产物特异性（如将abietadiene synthase转变为pimaradiene特异环化酶）
- 已在E. coli和酵母中实现紫杉二烯、香紫苏醇、cis-abienol、milthiradiene、左旋海松酸等二萜前体生产
- 在N. benthamiana中共表达DXS和GGPP合酶可提高二萜产量。
研究结论
整合多组学与生化表征促进了植物二萜代谢基因和酶的发现；diTPS的模块化结构及功能可塑性为合成生物学和代谢工程提供了丰富的‘天然工具包’；未来需加强对复杂二萜通路调控机制的理解，以开发高效微生物和植物生产体系。