Combinatorial biosynthesis of medicinal plant secondary metabolites
- 作者
- Mattijs K. Julsing, Albert Koulman, Herman J. Woerdenbag, Wim J. Quax, Oliver Kayser
- 单位
- Department of Pharmaceutical Biology, University of Groningen, Antonius Deusinglaan 1, 9713 AV Groningen, The Netherlands; AgResearch Limited, Grasslands Research Centre, Tennent Drive, Private Bag 11008, Palmerston North, New Zealand
- 杂志
- Biomolecular Engineering（2006）
- DOI
- 10.1016/j.bioeng.2006.08.001
- 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
药用植物次级代谢产物（如青蒿素、紫杉醇、长春花碱等）来源有限、产量极低，难以满足医药需求；组合生物合成通过异源表达不同物种的基因组合，旨在重构代谢通路、生产稀有或新型化合物。
研究策略
系统综述组合生物合成的定义、方法及应用，重点讨论将植物来源的次级代谢基因在微生物宿主（如大肠杆菌、酿酒酵母）中异源表达，并结合前体供给和代谢通量优化来实现目标产物的生物合成。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了组合生物合成策略在药用植物次级代谢产物生产中的应用进展。研究者通过将来自不同植物的合成基因在微生物宿主中异源组合表达，重构了萜类、生物碱和黄酮等多条代谢通路。在青蒿素前体生产方面，工程大肠杆菌合成amorpha-4,11-diene可达24 μg/ml，而酿酒酵母经MVA途径优化及CYP71AV1共表达后，artemisinic acid产量达到100 mg/L。紫杉醇前体方面，大肠杆菌中表达taxadiene synthase等基因可产taxadiene 1.3 mg/L，酵母中引入8个紫杉醇合成基因则实现了taxadien-5α-acetoxy-10β-ol的生成。类胡萝卜素生产中，产朊假丝酵母经HMG-CoA还原酶过表达与角鲨烯合酶敲除后，番茄红素产量达到7.8 mg/g干重。黄酮途径已在大肠杆菌中实现全异源合成，但产量仍受前体供给限制，过表达乙酰-CoA羧化酶可部分改善。上述结果表明，组合生物合成通过跨物种基因装配与代谢通量优化，为高价值植物天然产物的微生物制造提供了可行路径，但复杂植物基因的调控机制和宿主代谢网络适配仍是提升产量的关键瓶颈。
创新点
全面总结组合生物合成在萜类（青蒿素、紫杉醇、类胡萝卜素）、生物碱（吗啡、长春花碱）和黄酮类化合物中的最新进展，包括合成基因融合、多基因共表达、定向进化改造酶、启动子工程和代谢通路调控等策略。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 萜类（青蒿素前体） | amorphadiene synthase (ADS) | amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 异源表达优化基因后产amorpha-4,11-diene 24 μg/ml |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素前体 | amorphadiene synthase; CYP71AV1 | amorpha-4,11-diene synthase; CYP71AV1 细胞色素P450 | 催化 | 工程酵母产artemisinic acid 100 mg/L |
| Escherichia coli | 紫杉醇生物合成 | taxadiene synthase | taxadiene synthase | 催化 | 与GGDP合酶等共表达产taxadiene 1.3 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇生物合成 | 多个紫杉醇合成基因（8个） | taxadiene 5α-hydroxylase等 | 催化 | 在酵母中表达8个基因产taxadien-5α-acetoxy-10β-ol |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | 来自Erwinia，催化FDP生成GGDP |
| Candida utilis | 类胡萝卜素生物合成 | HMG-CoA还原酶催化域; ERG9（敲除） | HMG-CoA reductase; squalene synthase | 催化 | 过表达HMG-CoA还原酶催化域并敲除ERG9使番茄红素产量达7.8 mg/g干重 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | dxs | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 过表达DOXP途径基因可提高类胡萝卜素产量达10倍，但高表达dxs有负面影响 |
| Escherichia coli | 黄酮生物合成 | CHS, CHI等 | 查尔酮合酶、查尔酮异构酶等 | 催化 | 人工基因簇表达后产生pinocembrin、naringenin等黄酮类化合物 |
| Saccharomyces cerevisiae | 单萜吲哚生物碱（长春花碱前体） | tryptophan decarboxylase; strictosidine synthase | 色氨酸脱羧酶; 异胡豆苷合酶 | 催化 | 喂饲色胺和裂环马钱素后合成strictosidine |
| Nicotiana tabacum | 单萜吲哚生物碱 | strictosidine glucosidase | 异胡豆苷葡萄糖苷酶 | 催化 | 在悬浮培养烟草细胞中表达后水解strictosidine葡萄糖苷 |
关键发现
- 青蒿素前体：工程大肠杆菌产amorpha-4,11-diene达24 μg/ml（Martin et al., 2003）
- 酿酒酵母表达ADS产量600 μg/ml（质粒）和100 μg/ml（染色体整合）（Lindahl et al., 2006）
- 含工程MVA途径及ADS和CYP71AV1的酵母产artemisinic acid达100 mg/L（Ro et al., 2006）。紫杉醇前体：大肠杆菌共表达taxadiene synthase等产taxadiene达1.3 mg/L（Huang et al., 2001）
- 酿酒酵母中表达8个紫杉醇合成基因产taxadien-5α-acetoxy-10β-ol（Dejong et al., 2006）。类胡萝卜素：Candida utilis工程菌产番茄红素7.8 mg/g干重（Shimada et al., 1998）
- 大肠杆菌产番茄红素6 mg/g干重（Yuan et al., 2006）
- Xanthophyllomyces dendrorhous产虾青素200-400 μg/g。黄酮：在大肠杆菌中重建黄酮途径产生pinocembrin、naringenin等，但产量有限，过表达乙酰-CoA羧化酶可提高前体供给。
研究结论
组合生物合成通过将不同物种的基因在微生物宿主中组合表达，为生产高价值植物次级代谢产物和发现新化合物提供了可行途径。该领域已实现黄酮途径的全异源合成，并初步展示了萜类和生物碱前体的微生物生产。未来需要进一步阐明植物基因的调控机制，并优化宿主代谢网络以提高产量。