Heterologous production of plant-derived isoprenoid products in microbes and the application of metabolic engineering and synthetic biology
- 作者
- Yi Li, Blaine A Pfeifer
- 单位
- Department of Chemical and Biological Engineering, The State University of New York at Buffalo
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.pbi.2014.02.005
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
植物来源的萜类化合物结构复杂、天然宿主产量低且生长缓慢，难以实现经济高效的生产；需通过异源生物合成在微生物宿主中重构途径并优化产量。
研究策略
综述了以大肠杆菌和酵母等为宿主的植物源异源生物合成策略，重点介绍代谢工程（如途径平衡、基因敲除、通量优化）和合成生物学（如基因合成、密码子优化、MAGE、染色体进化）工具的应用。
核心内容
该综述系统总结了利用微生物异源生产植物源萜类化合物的研究进展，重点聚焦于大肠杆菌、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌等宿主中重构异戊二烯代谢途径的策略。文中详细梳理了代谢工程手段（如途径模块平衡、关键基因过表达、PTS系统敲除以富集磷酸烯醇式丙酮酸前体）与合成生物学工具（基因合成、密码子优化、MAGE多靶点基因组编辑等）在提高产量中的应用。关键结果包括：通过MAGE技术可同时修饰大肠杆菌中24个遗传元件优化MEP途径；敲除PTS系统可提升番茄红素和青蒿二烯产量；利用半合成异源工艺，青蒿酸前体产量达到25 g/L，紫杉醇和青蒿素中间体也已实现克级（g/L）规模的微生物生产。综述还展示了真核MVA途径成功移植至大肠杆菌、酵母中表达P450酶完成青蒿素下游氧化步骤等典型案例。这些进展表明，代谢工程与合成生物学的深度整合已使多种复杂植物萜类化合物具备商业化生产潜力，而未来合成基因组等新兴技术将推动宿主定制化，进一步拓展异源生产的可行性与经济性。
创新点
系统总结了从异源重构到产量优化的技术演进，包括将真核MVA途径移植到大肠杆菌、利用P450酶在酵母中表达、模块化途径工程、多目标基因组编辑（如MAGE）以及半合成青蒿素商业化生产。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP（非甲羟戊酸）途径 | dxs, idi, crtE, crtB, crtI | DXS（1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶）、IDI（异戊烯基二磷酸异构酶）、GGPPS（香叶基香叶基二磷酸合酶）、CrtB（八氢番茄红素合酶）、CrtI（八氢番茄红素脱氢酶） | 催化 | 用于番茄红素合成，通过平衡前体供应和通量调控提高产量 |
| Escherichia coli | MVA（甲羟戊酸）途径 | ERG10, HMGS, HMGR, MVK, PMK, PMD, idi, ADS | 乙酰乙酰CoA硫解酶、HMG-CoA合酶、HMG-CoA还原酶、甲羟戊酸激酶、磷酸甲羟戊酸激酶、甲羟戊酸二磷酸脱羧酶、IDI、青蒿二烯合酶 | 催化 | 将酵母MVA途径导入大肠杆菌并表达密码子优化的ADS，用于青蒿二烯生产 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | ADS, CYP71AV1, FPPS, tHMGR | 青蒿二烯合酶、细胞色素P450单加氧酶（CYP71AV1）、法尼基二磷酸合酶、截短型HMG-CoA还原酶 | 催化 | 表达ADS和CYP71AV1实现青蒿酸合成；线粒体靶向FPPS和ADS结合tHMGR提高产量 |
| Escherichia coli | 紫杉醇（taxadiene）生物合成途径 | dxs, idi, ggpps, txs | DXS、IDI、GGPPS（来自Sulfolobus acidocaldarius的变体）、紫杉二烯合酶（TXS） | 催化 | 通过模块化-多变量工程优化底物和生物合成途径，实现紫杉二烯高产 |
| Bacillus subtilis | 青蒿素前体（amorphadiene）途径 | ADS, MVA途径基因 | 青蒿二烯合酶、甲羟戊酸途径酶 | 催化 | 采用双启动子系统、翻译工程和培养基优化提高青蒿二烯产量 |
| Candida utilis | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR, crtE, crtB, crtI | HMG-CoA还原酶（截短型）、GGPPS、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 通过缺失一个ERG9等位基因并过表达截短HMGR增加类胡萝卜素产量 |
| Escherichia coli | MEP途径（染色体进化） | dxs, idi, crtE, crtB, crtI | DXS、IDI、GGPPS、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 调控 | 利用化学诱导染色体进化（CICHE）建立无质粒的高基因拷贝染色体表达，通过triclosan诱导增强遗传稳定性 |
| Escherichia coli | 糖酵解/磷酸转移酶系统（PTS） | ptsG, ptsH, ptsI | PTS系统组分（EIIBCGlc、HPr、EI） | 转运 | 敲除PTS基因以富集磷酸烯醇式丙酮酸，同时提高番茄红素和青蒿二烯产量 |
关键发现
- 综述指出，通过组合代谢工程和合成生物学，已实现番茄红素、青蒿素（青蒿二烯/青蒿酸）和紫杉醇前体（紫杉二烯）的微生物异源生产
- 青蒿酸前体通过半合成异源工艺达到25 g/L（参考文献2），紫杉醇和青蒿素中间体产量已达g/L级别（原文：'has also led to the g/L production of paclitaxel and artemisinin intermediates'）
- 大肠杆菌中利用MAGE技术可同时修改24个遗传元件以优化MEP途径（参考文献22）
- 通过敲除PTS系统基因可富集磷酸烯醇式丙酮酸，提高番茄红素和青蒿二烯产量（文献26）。
研究结论
异源生物合成是获取植物源萜类产物的有效途径，代谢工程和合成生物学在途径重构、优化及商业化中发挥关键作用；未来将依赖于合成基因组等新兴技术实现宿主定制化。