Biosynthesis of therapeutic natural products using synthetic biology
- 作者
- Ali R. Awan, William M. Shaw, Thomas Ellis
- 单位
- Centre for Synthetic Biology and Innovation, Imperial College London, London SW7 2AZ; Department of Bioengineering, Imperial College London, London SW7 2AZ
- 杂志
- Advanced Drug Delivery Reviews（2016）
- DOI
- 10.1016/j.addr.2016.04.010
- 所属领域
- 合成生物学 / 代谢工程
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解决的核心问题
传统天然产物药物发现效率下降且成本高，需要利用合成生物学手段对已知治疗性天然产物进行高产改造，并发现和创造新的天然产物药物分子。
研究策略
系统综述合成生物学在治疗性天然产物生物合成中的应用：选择天然宿主、异源宿主和多宿主组合及酶学步骤，通过理性策略（前体供应、空间组织、动态调控）和半理性策略（表达空间探索、蛋白工程与定向进化、基因组工程）优化途径产量，并利用基因组/宏基因组挖掘未知天然产物，通过前体饲喂和组合生物学生产非天然产物。
核心内容
合成生物学为治疗性天然产物的可持续生产提供了新的技术路径。该领域系统性地整合了宿主选择、途径组装与酶工程三个层面的策略：一方面在原生或异源宿主中重构完整的生物合成途径，另一方面通过前体供应强化、代谢区室化、动态调控等理性设计与蛋白工程、定向进化和基因组工程等半理性策略，协同提升目标产物的产量。代表性成果包括将合成蛋白支架应用于甲羟戊酸途径，使产量提升77倍；将青蒿酸途径末端酶定位到线粒体，产量提高20倍；利用生物传感器辅助定向进化筛选酪氨酸羟化酶突变文库，色素产量提高4.3倍。此外，基因组挖掘和组合生物合成策略被用于激活沉默基因簇并产生非天然化合物，例如在酵母中组装出74种化合物，其中超过75%为新结构。这些研究不仅显著提高了紫杉醇、降甲乌药碱等重要天然药物的发酵水平，也意味着合成生物学能够持续拓展天然产物的结构多样性和药物发现来源，为医药产业提供更高效且可扩展的生产平台。
创新点
综述强调合成生物学与系统生物学/代谢工程融合，提出宿主-途径-酶选择耦合的观点；涵盖合成蛋白支架、线粒体/过氧化物酶体区室化、CRISPR-dCas9转录程序、生物传感器辅助定向进化、沉默基因簇唤醒、模块交换与非天然前体掺入等新策略。
研究对象（34）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces | 天然产物生物合成 | — | — | 调控 | 作为天然宿主，开发合成启动子和条件启动子用于途径表达控制 |
| Aspergillus | 天然产物生物合成 | — | — | 调控 | 作为天然宿主，通过失活竞争途径和启动子工程优化产量 |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸合成途径 | atoB | 乙酰辅酶A乙酰转移酶 | 催化 | 与HMGS和HMGR共同组装到合成蛋白支架，最优组合产量提高77倍 |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸合成途径 | HMGS | HMG-CoA合酶 | 催化 | 蛋白支架上两个HMGS拷贝与一个AtoB和两个HMGR组合最优 |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸合成途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 蛋白支架上两个HMGR拷贝 |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸合成途径 | — | 合成蛋白支架（GBD-SH3-PDZ结构域） | 区室化 | 以特定化学计量比组装AtoB、HMGS、HMGR，实现底物通道化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸生物合成 | HGMR | HMG-CoA还原酶（修饰版） | 催化 | 过表达以增加FPP前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸生物合成 | ERG20 | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 过表达以增加FPP前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇生物合成（竞争途径） | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 用甲硫氨酸可抑制启动子下调，减少FPP分流 |
| Escherichia coli | 青蒿酸生物合成 | — | — | 催化 | 引入酿酒酵母甲羟戊酸途径而非利用天然DXP途径合成FPP |
| Escherichia coli | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | 与酿酒酵母共培养，利用快速生长生产前体taxadiene；共培养总产量33 mg/L紫杉醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | 与大肠杆菌共培养，承担taxadiene含氧官能化步骤 |
| Hansenula polymorpha | 青霉素生物合成 | — | — | 区室化 | 利用极大型过氧化物酶体完成青霉素最后反应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 人参皂苷生物合成 | — | 细胞色素P450 | 催化 | 同时表达多个P450合成人参皂苷 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苄基异喹啉生物碱生物合成 | — | — | 调控 | 基因组规模代谢模型指导6个遗传修饰，其中3个有效使norcoclaurine产量提高60倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | amorphadiene生物合成 | — | — | 区室化 | 将最后两个酶靶向线粒体，产量提高20倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 多巴胺/苄基异喹啉生物碱生物合成 | tyrosine hydroxylase | 酪氨酸羟化酶 | 催化 | 定向进化：两个突变使色素产量提高4.3倍，胞内L-DOPA提高2.8倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | L-DOPA生物传感 | DOD | DOPA-4,5-双加氧酶 | 催化 | 用于筛选酪氨酸羟化酶突变体的生物传感器，催化生成黄色甜菜黄素 |
| Saccharomyces cerevisiae | N-乙酰氨基葡萄糖生物合成 | GFA1 | 葡糖胺-果糖-6-磷酸氨基转移酶 | 催化 | 核酶传感器筛选获得效率提高5倍的突变体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫色杆菌素生物合成 | — | dCas9（融合蛋白） | 调控 | CRISPR-dCas9系统结合scaffold RNA实现可诱导的转录程序，控制途径中间产物 |
| Escherichia coli | 白藜芦醇生物合成 | — | — | 调控 | MAGE基因组工程增加前体丙二酰辅酶A的供应 |
| Saccharomonospora sp. CNQ490 | 非核糖体肽生物合成（沉默基因簇） | 负调控转录因子基因 | — | 调控 | TAR克隆删除负调控基因后产生新的氯代脂肽 |
| Xenorhabdus budapestensis | 沉默基因簇 | — | — | 调控 | 添加阿拉伯糖诱导启动子激活基因簇，产生类似holomycin的化合物 |
| — | 聚酮/非核糖体肽生物合成 | — | — | 催化 | 从极端环境宏基因组中挖掘并异源表达新基因簇，产生抗生素/抗肿瘤/免疫抑制剂 |
| — | 根霉素聚酮生物合成 | — | — | 催化 | 底物混杂性结合非天然单体饲喂，产生类似环己酰亚胺的分子 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | — | — | 催化 | 饲喂化学合成的色胺类似物，产生潜在生物活性的非天然TIA |
| Aspergillus oryzae | 聚酮化合物生物合成 | — | — | 催化 | 表达来自Chaetomium的新型聚酮基因，通过反应性中间体产生拟天然产物；其中一种抗腺病毒 |
| — | 非核糖体肽生物合成 | NRPS基因 | 非核糖体肽合成酶 | 催化 | 单点突变放宽底物特异性，掺入叠氮/炔基非天然氨基酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 皂苷生物合成 | — | 细胞色素P450、糖基转移酶 | 催化 | 表达植物P450与糖基转移酶产生新组合修饰的非天然皂苷 |
| Actinoplanes sp. | 非核糖体肽修饰 | — | 磺基转移酶/糖基转移酶 | 催化 | 利用两个修饰酶对NRPS抗生素添加硫酸基和糖基 |
| Streptomyces toyocaensis | 非核糖体肽抗生素生物合成 | — | — | 催化 | 作为NRPS抗生素的生产菌，接受Actinoplanes来源的修饰酶 |
| Catharanthus roseus | 生物碱生物合成 | — | 氯化酶 | 催化 | 表达土壤细菌氯化酶产生氯化生物碱 |
| Streptomyces roseosporus | 达托霉素生物合成 | dptD | 非核糖体肽合成酶（双模块） | 催化 | 用天冬酰胺模块替换犬尿氨酸模块，产生达托霉素结构变体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 生物碱/聚酮/黄酮组合生物合成 | — | — | 催化 | 表达来自不同途径的多种酶，产生74种化合物，>75%为新化合物，20%为新骨架 |
关键发现
- 天然产物及其衍生物占药物40%以上
- Zhou等利用大肠杆菌和酿酒酵母共培养生产紫杉醇，产量33 mg/L
- Dueber等将AtoB、HMGS、HMGR组装到合成蛋白支架上使甲羟戊酸产量提高77倍
- 将amorphadiene途径最后两个酶区室化到线粒体使产量提高20倍
- Trenchard等在酿酒酵母中通过6个遗传修饰使norcoclaurine产量提高60倍
- DeLoache等用DOD生物传感器筛选酪氨酸羟化酶突变库（>200,000变体），两个突变使色素产量提高4.3倍、胞内L-DOPA提高2.8倍
- 核酶筛选获得效率提高5倍的GFA1突变体
- Klein等在酵母中组装产生74种化合物，>75%为新化合物，20%为新骨架。
研究结论
合成生物学能够显著提升已知治疗性天然产物的产量，并能通过挖掘沉默基因簇和组合生物合成的方式发现和创造新药物分子，为天然产物药物开发提供可持续且多样化的途径。