Artemisinin: current state and perspectives for biotechnological production of an antimalarial drug
- 作者
- Chunzhao Liu, Yan Zhao, Yuchun Wang
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2006）
- DOI
- 10.1007/s00253-006-0452-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
黄花蒿中青蒿素含量低（0.01%-1%），限制了青蒿素的商业化生产，需要通过生物技术手段提高其产量。
研究策略
综述了提高青蒿素产量的多种生物技术策略，包括体外组织培养、青蒿素生物合成的代谢调控、基因工程以及生物反应器技术。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了2006年前后通过生物技术手段提高抗疟药物青蒿素产量的多种策略。青蒿素在黄花蒿中天然含量仅为0.01%–1%，远不能满足商业化需求。作者总结了体外组织培养、代谢调控、基因工程及生物反应器放大等路线。在发根培养中，光照3000 lx照射16 h条件下，干重和青蒿素浓度分别达到13.8 g/L和244.5 mg/L；红光（660 nm）使青蒿素含量达31 mg/g，比白光高67%；氮源优化（硝酸根/铵根=5:1，总氮20 mM）使产量提高57%。基因工程方面，转FPS基因使青蒿素浓度达8–10 mg/g DW，为对照的2–3倍；ipt基因表达使含量提高30%–70%；在大肠杆菌中表达amorpha-4,11-二烯合酶和甲羟戊酸途径，amorphadiene浓度达24 μg/mL。营养雾反应器中产量约为气泡柱反应器的3倍。尽管多种策略取得进展，但仍未满足商业化需求，需进一步解析生物合成关键酶与调控机制，并开发大规模培养技术。
创新点
系统总结了青蒿素生物技术生产的多种途径，涵盖植物组织培养、代谢途径优化、基因工程改造及生物反应器放大，并提出了进一步提高产量的未来方向。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | 甲羟戊酸途径 / 青蒿素生物合成 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸，是异戊二烯途径的限速步骤。 |
| Artemisia annua | 异戊二烯生物合成 / 青蒿素生物合成 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成FPP，是青蒿素合成的重要上游酶。 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AMS | amorpha-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FPP环化形成amorpha-4,11-diene，是青蒿素合成的关键第一步。 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶CYP71AV1 | 催化 | 催化amorpha-4,11-diene、青蒿醇和青蒿醛的氧化反应。 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成竞争途径 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化FPP转化为角鲨烯，与青蒿素合成竞争前体，抑制其表达可提高青蒿素产量。 |
| Artemisia annua | 细胞分裂素生物合成 | ipt | 异戊烯基转移酶 | 催化 | 催化异戊烯基焦磷酸与AMP缩合，过表达提高细胞分裂素含量，进而提高青蒿素产量。 |
| Artemisia annua | 开花调控 / 青蒿素合成关联 | fpf1 | 开花促进因子1 | 调控 | 影响黄花蒿开花时间，但开花并非提高青蒿素含量的必需因素。 |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸途径（来自酿酒酵母） | AMS (amorpha-4,11-diene synthase) | amorpha-4,11-二烯合酶 | 催化 | 在大肠杆菌中异源表达，结合甲羟戊酸途径生产amorphadiene。 |
| Escherichia coli | DXP途径 | dxs, idi | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶（DXS）和异戊烯基二磷酸异构酶（IDI） | 催化 | 增强DXP途径前体供应，提高异戊二烯类化合物产量。 |
关键发现
- 青蒿素在黄花蒿中的含量为0.01%-1%
- 在发根培养中，光照3000 lx照射16 h条件下干重和青蒿素浓度分别达到13.8 g/L和244.5 mg/L
- 红光（660 nm）下生物量达5.73 g DW/L，青蒿素含量达31 mg/g，分别比白光高17%和67%
- 氮源优化（硝酸根/铵根=5:1，总氮20 mM）使青蒿素产量提高57%
- 转FPS基因黄花蒿中青蒿素浓度约8-10 mg/g DW，为对照的2-3倍
- ipt基因表达使青蒿素含量提高30-70%
- 在大肠杆菌中工程化表达合成 amorpha-4,11-diene 基因和甲羟戊酸途径，amorphadiene浓度达24 μg caryophyllene equivalent/mL
- 营养雾生物反应器中青蒿素产量约为气泡柱反应器的3倍。
研究结论
尽管多种生物技术方法如组织培养、代谢调控、基因工程和生物反应器技术已用于提高青蒿素产量，但仍未满足商业化需求，需要进一步研究青蒿素生物合成途径的关键酶和基因调控机制，并开发大规模生物反应器培养技术。