高级醇 · 代谢工程文献库

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Paclitaxel: biosynthesis, production and future prospects

作者
Susan Howat, Bora Park, Il Suk Oh, Young-Woo Jin, Eun-Kyong Lee, Gary J. Loake
单位
Institute of Molecular Plant Sciences, School of Biological Sciences, University of Edinburgh, King's Buildings, Edinburgh EH9 3JR, UK; Unhwa Corp., Woohang-Dong, Dukjin-gu, Jeonju, South Korea
杂志
New Biotechnology（2014）
DOI
10.1016/j.nbt.2014.02.010
所属领域
代谢工程
关键词
BiosynthesisMetabolic engineeringPaclitaxelPlant cell cultureTaxolTaxus
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解决的核心问题

紫杉醇是重要的抗癌药物，但其在天然植物中含量极低，化学合成不具商业可行性，需要开发替代生物技术生产途径以满足市场需求。

研究策略

系统综述紫杉醇生物合成途径研究进展，并分析比较化学合成、半合成、异源表达系统（微生物和植物）及植物细胞培养等生产策略的优缺点。

研究路线图

100%
紫杉醇生产重大挑战
(含量极低/合成不经济)
系统综述生物合成途径
比较多种生产策略
微生物异源合成
(大肠杆菌/酵母)
植物异源合成
(拟南芥/番茄/苔藓)
植物细胞培养
(茉莉酸甲酯诱导)
形成层干细胞(CMCs)突破
天然可育细胞系
产量比较：
CMC 102mg/kg vs DDC 23-39mg/kg
关键结论与未来方向
(半合成+细胞工程/途径解析)
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核心内容

紫杉醇作为重要抗癌药物，在天然红豆杉树皮中含量极低（0.001%-0.05%），市场价格高达约60万美元/千克，化学合成不具商业可行性。该综述系统梳理了紫杉醇生物合成途径的研究进展，并比较了化学合成、半合成、异源表达系统及植物细胞培养等替代生产策略。在微生物宿主方面，通过在大肠杆菌中过表达IPP异构酶、GGPP合酶和TASY可实现taxadiene产量达1.3 mg/L；在酿酒酵母中表达5个紫杉醇生物合成基因仅得到mg/L水平的taxadiene。植物异源表达系统中，番茄中表达TASY可产160 mg/kg冻干果taxadiene，而在小立碗藓中表达TASY产生0.05%鲜重taxadiene且无生长抑制。植物细胞培养方面，茉莉酸甲酯可提高紫杉醇产量至超过20 mg/L。值得注意的是，利用红豆杉形成层干细胞培养技术，紫杉醇产量达102 mg/kg鲜重，显著高于脱分化细胞的23-39 mg/kg。研究指出，形成层干细胞培养结合代谢工程是极具潜力的高产稳定生产平台，而彻底解析完整生物合成途径生化机制、在微生物宿主中实现全合成仍是长期目标。

创新点

强调形成层干细胞（CMCs）培养技术作为高产稳定生产平台的潜力，并指出代谢工程与细胞培养结合的未来方向。

研究对象（8）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Escherichia coli 紫杉醇生物合成途径 TASY taxadiene synthase 催化 催化GGPP环化生成taxadiene，在E. coli中表达获得1.3 mg/L产量
Escherichia coli 萜类前体合成 IPP isomerase 异戊烯基焦磷酸异构酶 催化 IPP与DMAPP异构化，增加前体供应
Escherichia coli 萜类前体合成 GGPPS 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 催化 催化IPP和DMAPP缩合生成GGPP
Saccharomyces cerevisiae 紫杉醇生物合成途径 T5αH taxadiene-5α-羟化酶 催化 cP450酶，限制步骤
Saccharomyces cerevisiae 紫杉醇生物合成途径 cP450 reductase 细胞色素P450还原酶 催化 为P450提供电子，共表达可能改善催化效率
Arabidopsis thaliana 紫杉醇生物合成途径 TASY taxadiene synthase 催化 过表达产生600 ng/g干重，但导致生长迟缓
Solanum lycopersicum 紫杉醇生物合成途径 TASY taxadiene synthase 催化 在类胡萝卜素合成缺陷背景中表达，产生160 mg/kg冻干果
Physcomitrella patens 紫杉醇生物合成途径 TASY taxadiene synthase 催化 产生0.05%鲜重taxadiene，无生长抑制

关键发现

  1. 紫杉醇在红豆杉树皮中含量极低（0.001%-0.05%），市场价格约60万美元/千克
  2. 利用E. coli过表达IPP异构酶、GGPP合酶和TASY可产taxadiene 1.3 mg/L
  3. 在S. cerevisiae中表达5个紫杉醇生物合成基因后仅观察到mg/L水平的taxadiene
  4. 在拟南芥中表达TASY产生600 ng/g干重taxadiene但生长受抑
  5. 在番茄中表达TASY可产160 mg/kg冻干果taxadiene
  6. 在Physcomitrella patens中表达TASY产生0.05%鲜重taxadiene且无生长抑制
  7. 植物细胞培养中，茉莉酸甲酯可提高产量至>20 mg/L
  8. 利用红豆杉形成层干细胞（CMCs）培养，紫杉醇产量达102 mg/kg鲜重，而脱分化细胞（DDC）仅23-39 mg/kg。

研究结论

半合成方法未来仍将需要，植物细胞培养的作用将日益增强，尤其是改良细胞系与代谢工程结合；彻底解析紫杉醇生物合成途径的完整生化机制仍是重要目标；在微生物宿主中实现紫杉醇全合成是长期目标。