Medicinally important secondary metabolites in recombinant microorganisms or plants: Progress in alkaloid biosynthesis
- 作者
- Holger Schäfer, Michael Wink
- 单位
- Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology, Heidelberg University, Heidelberg, Germany
- 杂志
- Biotechnology Journal（2010）
- DOI
- 10.1002/biot.200900229
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用重组微生物或植物经济地生产具有药用价值的生物碱类次级代谢产物
研究策略
系统综述生物碱生物合成途径中的关键酶和基因，总结代谢工程在重组微生物（如大肠杆菌、酵母）和植物中的表达策略与进展
核心内容
该文系统综述了利用重组微生物和植物生产药用生物碱的代谢工程进展，重点梳理了苯基异喹啉、单萜吲哚、紫杉烷及嘌呤类生物碱合成通路中关键酶基因的克隆与功能表征。研究者在大肠杆菌、酵母和烟草中异源表达或过表达相关基因，验证了复杂生物碱微生物生产的可行性：在酵母中引入八个紫杉烷合成基因成功获得taxadiene-5α-acetoxy-10β-ol；在大肠杆菌中联合表达异戊烯基二磷酸异构酶、香叶基香叶基二磷酸合酶和紫杉二烯合酶，可从异戊烯基二磷酸直接合成taxadiene；在酵母中实现苄基异喹啉生物碱如reticuline、magnoflorine和scoulerine的生产；在烟草细胞中表达色氨酸脱羧酶和异胡豆苷合酶并饲喂secologanin则可生成strictosidine。此外，过表达Coptis japonica来源的60MT和4'OMT使Eschscholzia californica中生物碱含量提高7.5倍，烟草中同时表达三种咖啡因合成相关N-甲基转移酶亦能产生咖啡因。上述结果虽未达到商业化规模，但证明了在异源宿主中重构完整生物碱通路的概念可行性，为未来在生物反应器中经济生产高价值天然产物及作物抗虫抗病改良奠定了基础。
创新点
全面总结了苯基异喹啉、单萜吲哚、紫杉烷等生物碱生物合成基因的克隆与功能表征，并证明了在重组大肠杆菌和酵母中生产复杂生物碱的概念验证
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 苄基异喹啉生物碱合成 | TYDC | 酪氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化酪氨酸脱羧生成多巴胺 |
| Escherichia coli | 苄基异喹啉生物碱合成 | NCS | 去甲乌药碱合酶 | 催化 | 催化多巴胺与4-羟苯乙醛缩合 |
| Escherichia coli | 苄基异喹啉生物碱合成 | BBE | 小檗碱桥酶 | 催化 | 催化(S)-网脉番荔枝碱转化为(S)-金黄紫堇碱 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苄基异喹啉生物碱合成 | 6OMT | 去甲乌药碱6-O-甲基转移酶 | 催化 | 催化去甲乌药碱的6位甲基化 |
| Nicotiana tabacum | 单萜吲哚生物碱合成 | TDC | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 催化色氨酸脱羧生成色胺 |
| Nicotiana tabacum | 单萜吲哚生物碱合成 | STR | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 催化色胺与裂环马钱子苷缩合生成异胡豆苷 |
| Escherichia coli | 紫杉醇生物合成 | taxadiene synthase | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 催化香叶基香叶基二磷酸环化生成taxa-4(5),11(12)-diene |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇生物合成 | GGPPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 催化异戊烯基二磷酸生成香叶基香叶基二磷酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇生物合成 | CYP725A4 (taxadiene 5α-hydroxylase) | 紫杉二烯5α-羟化酶 | 催化 | 催化紫杉二烯的C5位羟基化 |
| Nicotiana tabacum | 嘌呤生物碱（咖啡因）合成 | XMT, MXMT, DXMT | N-甲基转移酶 | 催化 | 催化黄嘌呤核苷逐步甲基化生成咖啡因 |
关键发现
- 过表达Coptis japonica的60MT和4'OMT使Eschscholzia californica生物碱含量提高7.5倍
- 在酵母中异源表达八个紫杉烷生物合成基因成功产生taxadiene-5α-acetoxy-10β-ol
- 在大肠杆菌中表达异戊烯基二磷酸异构酶、香叶基香叶基二磷酸合酶和紫杉二烯合酶可从IPP合成taxadiene
- 烟草中同时表达咖啡因合成相关N-甲基转移酶（XMT、MXMT、DXMT）产生咖啡因
- 在酵母中实现苄基异喹啉生物碱（如reticuline、magnoflorine、scoulerine）的微生物生产
- 在烟草细胞中表达TDC和STR并饲喂secologanin可产生strictosidine
研究结论
虽然目前利用重组微生物生产复杂生物碱尚未商业化，但概念验证已实现，未来有望通过建立完整通路基因盒在生物反应器中生产有价值的天然产物，或用于作物抗虫抗病代谢工程