Ginsenosides: prospective for sustainable biotechnological production
- 作者
- Hosakatte Niranjana Murthy, Milen I. Georgiev, Yun-Soo Kim, Cheol-Seung Jeong, Sun-Ja Kim, So-Young Park, Kee-Yeoup Paek
- 单位
- Research Center for the Development of Advanced Horticultural Technology, Chungbuk National University, Cheongju 361-763, Republic of Korea; Department of Botany, Karnatak University, Dharwad 580003, India; The Stephan Angeloff Institute of Microbiology, Bulgarian Academy of Sciences, 139 Ruski Blvd., 4000 Plovdiv, Bulgaria; Natural Resources Research Institute, R&D Headquarters, Korea Ginseng Corporation, 22, Gajeong-ro, Shinseong-dong, Yuseong-gu Daejon 305-805, Republic of Korea; Osong Medical Innovation Foundation, Clinical Drug Manufacturing Center, Chungbuk 363-951, Republic of Korea; Gwacheon National Science Museum, Ministry of Science, ICT and Future Planning, 110 Sanghabeol-ro, Gwacheon-Si, Gyeonggi-do 427-060, Republic of Korea
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s00253-014-5801-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
人参皂苷是珍贵药用成分，传统来源依赖野生或田间栽培人参，生长周期长（5-7年）、产量低且受环境限制，需要建立可持续、可规模化的生物技术生产体系。
研究策略
通过优化培养基、植物生长调节剂、接种密度、营养比例、碳源、光照温度、气体组成等培养参数，结合诱导子（如茉莉酸甲酯）处理、前体饲喂和培养基更新策略，并利用生物反应器规模放大，同时借助基因组学、蛋白组学和代谢工程手段解析和改造人参皂苷生物合成途径，以提高产量并实现商业化生产。
核心内容
该综述系统梳理了人参皂苷可持续生物技术生产的进展，围绕人参细胞与不定根培养体系，从工艺优化和途径解析两方面展开。研究通过调节培养基盐强度、植物生长调节剂、接种密度、碳源及气体组成等参数，并结合茉莉酸甲酯诱导、前体饲喂和培养基更新策略，显著提升产量，例如100 μM茉莉酸甲酯处理使皂苷含量提高7倍，培养基更新使干重增至28.7 g/L、皂苷含量达4.92 mg/g DW。在放大方面，10,000 L气升式生物反应器运行45天可产850 kg鲜重不定根，年产约35吨，实现商业化规模。同时，研究克隆并表征了PgSS1、CYP716A47、CYP716A53v2等关键酶基因，通过过表达PgSS1可提高转基因人参中植物甾醇和人参皂苷含量，部分途径已在酿酒酵母erg7突变体中重构。结论指出，大规模培养技术已日臻成熟，但完整皂苷生物合成途径尚未阐明，未来需继续发掘关键基因并整合组学手段，以推动更高效、经济的生产体系。
创新点
①利用100 μM甲基茉莉酸酯处理使人参皂苷积累提高7倍，并采用两步培养策略缓解生物量下降；②成功开发10,000 L气球型气升式生物反应器，45天生产850 kg鲜重不定根，实现年产约35吨的商业化规模；③分离克隆了多个关键酶基因如PgSS1、CYP716A47、CYP716A53v2等，并解析了其催化功能；④通过过表达PgSS1显著提高转基因人参中植物甾醇和人参皂苷含量。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax ginseng (人参) | 萜类/甾醇生物合成途径 | PgSS1 | 鲨烯合酶 (SQS) | 催化 | 过表达增强植物甾醇和三萜皂苷合成，上调下游基因表达 |
| Panax ginseng (人参) | 萜类/甾醇生物合成途径 | PgSS2, PgSS3 | 鲨烯合酶 | 催化 | 分离并功能鉴定，参与甾醇和三萜皂苷合成 |
| Panax ginseng (人参) | 人参皂苷生物合成途径 | PgSQE1, PgSQE2 | 鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化鲨烯氧化为2,3-氧化鲨烯 |
| Panax ginseng (人参) | 人参皂苷生物合成途径 | DDS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为达玛烯二醇 |
| Panax ginseng (人参) | 人参皂苷生物合成途径 | CYP716A47 | 达玛烯二醇-II氧化酶 | 催化 | 催化达玛烯二醇-II氧化生成原人参二醇 |
| Panax ginseng (人参) | 人参皂苷生物合成途径 | CYP716A53v2 | 原人参二醇6-羟化酶 | 催化 | 催化原人参二醇羟基化生成原人参三醇 |
| Panax ginseng (人参) | 人参皂苷生物合成途径 | CYP716A52v2 | β-香树素28-氧化酶 | 催化 | 催化β-香树素氧化生成齐墩果酸，参与oleanane型皂苷合成 |
| Panax ginseng (人参) | 三萜生物合成途径 | β-AS | β-香树素合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为β-香树素 |
| Panax ginseng (人参) | 甾醇/三萜生物合成途径 | CAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为环阿屯醇，参与甾醇合成 |
| Saccharomyces cerevisiae erg7突变体 | 人参皂苷前体合成 | DDS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 异源表达，产生达玛烯二醇和羟基达玛烯酮 |
关键发现
- 75× MS盐强度时生物量最大，0.5× 盐强度时人参皂苷产量最高
- 25 μM IBA处理下每个根外植体形成31.4条侧根，40天获得最高干重10.2 g/L
- 接种密度5 g/L时干重达10.5 g/L、皂苷含量5.4 mg/g DW
- 最佳铵/硝酸根比例为7.19:18.5，最大皂苷产量在0 mM铵/18.5 mM硝酸盐时获得
- 5%蔗糖最适合生物量和皂苷积累
- 40% O2富集促进根生长和皂苷积累
- 100 μM甲基茉莉酸甲酯处理使皂苷含量提高7倍
- 培养基更新使干重增加26%至28.7 g/L，皂苷含量提高8.3%至4.92 mg/g DW
- 10,000 L生物反应器45天产850 kg鲜重和85.4 kg干重，年产量约35吨。
研究结论
综述表明，人参细胞和不定根培养技术已成功实现人参皂苷的大规模生产与商业化，但培养工艺和生物加工方法仍需优化；基因组学、蛋白组学和代谢工程已在人参皂苷生物合成途径解析中取得进展，但完整途径尚未阐明，进一步克隆和过表达关键基因、探索抗逆基因是未来发展方向。