Making artemisinin
- 作者
- Patrick S. Covello
- 单位
- Plant Biotechnology Institute, 110 Gymnasium Place, Saskatoon, SK, Canada S7N 0W9
- 杂志
- Phytochemistry（2008）
- DOI
- 10.1016/j.phytochem.2008.10.001
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决抗疟药物青蒿素（artemisinin）的供应短缺和高成本问题，探索以最低成本实现大规模生产的可行途径。
研究策略
系统综述并比较青蒿素的植物天然提取、植物基因工程、微生物工程、化学全合成及生物-化学半合成等生产路线，评估各方法的经济性和技术可行性，推荐将微生物发酵与化学合成相结合的生产方式。
核心内容
这篇综述系统评估了抗疟药物青蒿素各类生产路线的经济与技术可行性，以解决其供应短缺和高成本问题。研究对比了植物天然提取、植物基因工程、微生物工程、化学全合成及半合成等方案，并梳理了青蒿素生物合成途径的关键酶，包括amorphadiene synthase、双功能氧化酶CYP71AV1、青蒿醛Δ11(13)还原酶及醛脱氢酶，阐明二氢青蒿酸是经非酶氧化生成青蒿素的关键前体。分析显示，青蒿素市场价格波动于每公斤150至1600美元之间，而目标成本为每公斤100美元以下；黄花蒿干重中青蒿素含量最高约1.5%，所有已公开的化学全合成路线至少需8步且总产率低于10%。研究提出将微生物发酵生产青蒿酸或二氢青蒿酸与化学转化相结合的半合成策略，有望降低成本30%至60%，并被企业采纳推进。这一方案被视为短期内最有希望实现大规模、低成本供应青蒿素的途径，同时传统育种和遗传改良黄花蒿也可进一步降低种植成本。
创新点
将青蒿素生产方法按化学合成需求排序列表；阐明二氢青蒿酸（3a）是青蒿素生物合成的关键前体并经由非酶氧化生成青蒿素；提出通过微生物工程生产青蒿酸/二氢青蒿酸再经化学转化实现半合成的策略，并指出该策略可显著降低成本。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | ADS (amorphadiene synthase) | Amorphadiene synthase | 催化 | 催化FDP环化生成amorpha-4,11-diene |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | Amorphadiene oxidase (细胞色素P450) | 催化 | 多功能P450，氧化amorphadiene生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸 |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | DBR2 (artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase) | Artemisinic aldehyde Δ11(13) reductase | 催化 | 还原青蒿醛的Δ11(13)双键生成二氢青蒿醛，导向二氢青蒿酸分支 |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | 醛脱氢酶 (trichome-specific aldehyde dehydrogenase) | Aldehyde dehydrogenase | 催化 | 可能催化二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸（3a） |
| Escherichia coli (大肠杆菌) | 甲羟戊酸途径/青蒿素前体 | amorphadiene synthase、CYP71AV1等 | Amorphadiene synthase, CYP71AV1 | 催化 | 工程化大肠杆菌可生产amorphadiene和青蒿酸（Chang et al., 2007） |
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 甲羟戊酸途径/青蒿素前体 | CYP71AV1、DBR2、ADS等 | Amorphadiene synthase, CYP71AV1, DBR2 | 催化 | 酵母可高效生产青蒿酸（Ro et al., 2006）及二氢青蒿酸（Zhang et al., 2008） |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 异戊二烯生物合成 | FDP synthase、amorphadiene synthase | Farnesyl diphosphate synthase, Amorphadiene synthase | 催化 | 将FDP合酶和ADS靶向质体比胞质表达显著提高amorphadiene产量（Wu et al., 2006） |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 异戊二烯生物合成 | — | — | 区室化 | 质体靶向定位策略，提高异戊二烯前体供应和amorphadiene产量 |
| Cichorium intybus (菊苣) | 青蒿素前体生物合成 | amorphadiene synthase (拟表达) | Amorphadiene synthase | 催化 | 菊苣根提取物具有amorphadiene oxidase活性，表达ADS后可望生成青蒿酸 |
| Lactuca sativa (莴苣) | 青蒿素前体生物合成 | amorphadiene synthase | Amorphadiene synthase | 催化 | 过表达ADS后未检测到青蒿素，相关前体未调查 |
关键发现
- 青蒿素市场价波动于US$150–1600/kg，目标成本为US$100/kg或更低
- 黄花蒿中青蒿素含量最高约1.5%（干重）
- 所有公开的青蒿素化学全合成路线至少需要8步，总产率低于10%
- 微生物来源的青蒿酸半合成路线有望降低成本30–60%
- 青蒿素生物合成途径包括amorphadiene synthase、CYP71AV1（双功能氧化酶）、青蒿醛Δ11(13)还原酶和可能的醛脱氢酶
- CYP71AV1可依次将amorphadiene氧化为青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸
- 烟草中FDP合酶和amorphadiene synthase靶向质体可显著提高amorphadiene产量
- 菊苣内源表达amorphadiene oxidase活性，表达ADS可望生成青蒿酸。
研究结论
目前唯一商业化的青蒿素来源是黄花蒿（A. annua）种植，价格偏高；通过传统育种和遗传改良可进一步降低成本。微生物工程（尤其是酵母）生产青蒿酸并辅以化学半合成，是短期内最有望实现大规模、低成本供应青蒿素的途径，预计可节省30–60%成本；该方案已被企业采纳推进。