Plant Cells: Secondary Metabolite Heterogeneity and Its Manipulation
- 作者
- Jian-Jiang Zhong, Cai-Jun Yue
- 单位
- State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, 200237 Shanghai, P.R. China; College of Life Science and Biotechnology, Heilongjiang August First Land Reclamation University, 163319 Daqing, P.R. China
- 杂志
- Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1007/b136412
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
植物细胞培养中结构相似但生物活性不同的次生代谢产物（如紫杉烷类和人参皂苷）的异质性难以理性调控，导致目标产物含量低、组成不稳定。
研究策略
综合运用环境因子调控（温度、茉莉酸甲酯、前体、生长抑制剂、氧分压、钙离子等）、生物转化和代谢工程等手段，定向改变植物细胞次生代谢产物的组成和比例。
核心内容
该研究围绕植物细胞培养中次生代谢产物异质性的理性调控展开，系统整合了环境因子调节、生物转化和代谢工程等策略，旨在解决目标产物含量低、组成不稳定的问题。在红豆杉细胞培养中，将温度从24°C升至29°C可使紫杉醇产量从49.6 mg/L提升至82.4 mg/L，而taxuyunnaine C含量相应下降；100 μM茉莉酸甲酯处理使紫杉醇及其类似物含量提高5.2倍；利用来源于Nocardioides属的C-13 taxolase等酶进行生物转化，可使10-去乙酰巴卡亭III浓度提高5.5至24倍。在三七细胞培养中，100 μM茉莉酸甲酯将Rb/Rg比值从0.67升至1.84，联合蔗糖补料策略在气升式反应器中使用人参皂苷Rb1产量达到290.2 mg/L。该研究提出“次生代谢产物异质性理性操作”概念，证明通过组合调控可有效定向改变产物组成，并指出代谢工程与功能基因组学是未来提高目标次生代谢产物生产效率的关键方向。
创新点
提出“植物细胞次生代谢产物异质性的理性操作”概念，系统整合多种调控技术，并指出代谢工程和组学方法（如功能基因组学）是未来高效生产目标次生代谢产物的方向。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxadiene synthase | 催化 | 催化GGPP环化形成taxa-4(5),11(12)-diene，是紫杉醇生物合成的关键步骤 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxadiene 5α-hydroxylase | 催化 | P450依赖的单加氧酶，催化taxa-4(20),11(12)-diene C-5位羟基化 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxadien-5α-ol acetyltransferase | 催化 | 催化taxadien-5α-ol的乙酰化 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxadien 13α-hydroxylase | 催化 | P450酶，催化C-13位羟基化 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxoid 14β-hydroxylase | 催化 | P450酶，催化C-14位羟基化 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxane 2α-O-benzoyltransferase | 催化 | 催化C-2位苯甲酰化 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | 10-O-acetyltransferase | 催化 | 催化10-去乙酰巴卡亭III转化为巴卡亭III |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | phenylpropanoyltransferase | 催化 | 催化侧链连接 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | 3'-N-debenzoyl-2'-deoxytaxol N-benzoyltransferase | 催化 | 催化侧链苯甲酰胺化形成紫杉醇 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxoid 7β-hydroxylase | 催化 | P450酶，催化C-7位羟基化 |
| Taxus spp. | 紫杉醇生物合成 | — | taxoid 2α-hydroxylase | 催化 | P450酶，催化C-2位羟基化 |
| Nocardioides albus | 紫杉醇生物转化 | — | C-13 taxolase | 催化 | 催化C-13侧链裂解 |
| Nocardioides luteus | 紫杉醇生物转化 | — | C-10 deacetylase | 催化 | 催化C-10脱乙酰，可将10-去乙酰巴卡亭III转化为巴卡亭III |
| Morexella sp. | 紫杉醇生物转化 | — | C-7 xylosidase | 催化 | 催化C-7木糖水解 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成 | — | dammarenediol synthase | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化形成达玛烯二醇 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成 | — | β-amyrin synthase | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化形成β-香树脂醇 |
| Panax notoginseng | 人参皂苷生物合成 | — | UDPG:ginsenoside Rd glucosyltransferase (UGRdGT) | 催化 | 催化Rd生成Rb1，在MJA和HEJA诱导下活性升高 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物转化 | — | ginsenoside-β-glucosidase | 催化 | 催化Rg3转化为Rh2 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物转化 | — | ginsenoside-α-arabinofuranase | 催化 | 催化Rc转化为Rd |
| Absidia sp.39 | 人参皂苷生物转化 | — | ginsenoside-α-L-rhamnosidase | 催化 | 催化Rg2转化为Rh1 |
关键发现
- ['在T. chinensis细胞培养中，温度从24°C升至29°C时，紫杉醇产量从49.6 mg/L提高到82.4 mg/L，而taxuyunnanine C产量从885.9 mg/L降至512.9 mg/L。', '在T. cuspidata CR-5愈伤组织中，100 μM MJA处理后，taxuyunnanine C及其类似物含量提高3.1倍，紫杉醇及其类似物提高5.2倍。', '利用来源于Nocardioides属的C-13 taxolase、C-10 deacetylase和C-7 xylosidase等酶进行生物转化，可使10-去乙酰巴卡亭III浓度提高5.5至24倍。', '在P. notoginseng细胞培养中，100 μM MJA使Rb/Rg比值从对照的0.67升至1.84
- 随MJA浓度从0增至500 μM，第12天Rb/Rg从0.39升至2.07，第15天从0.49升至2.49。', 'MJA再诱导联合蔗糖补料策略在气升式反应器中使人参皂苷Rg1、Re、Rb1、Rd产量分别达到118.4±4.7、117.2±4.6、290.2±5.1、32.7±8.1 mg/L。', '在氧分压为36.5 kPa时，第10天P. notoginseng细胞中Rb/Rg比值分别是10.6和21.3 kPa时的1.8倍和1.5倍。', '在60°C反应24 h，人参皂苷β-葡萄糖苷酶将超过60%的Rg3转化为Rh2
- Curvularia lunata培养4天后，81%的Rb1转化为Rd。']
研究结论
通过环境因子、生物转化和代谢工程等多种手段可以实现植物细胞次生代谢产物异质性的理性操作，代谢工程和组学技术有望进一步提高目标产物的生产效率。