Biotechnology of flavonoids and other phenylpropanoid-derived natural products. Part II: Reconstruction of multienzyme pathways in plants and microbes
- 作者
- Filippos Ververidis, Emmanouil Trantas, Carl Douglas, Guenter Vollmer, Georg Kretzschmar, Nickolas Panopoulos
- 单位
- Laboratory of Plant Biochemistry and Biotechnology, Department of Plant Sciences, Technological Educational Institute of Crete, Heraklion, Crete, Greece; Department of Biology, University of Crete, Heraklion, Crete, Greece; Department of Botany, University of British Columbia, Vancouver, Canada; Institute for Zoology, Molecular Cell Physiology and Endocrinology, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany; Institute of Molecular Biology and Biotechnology, Foundation for Research and Technology Hellas, Heraklion, Crete, Greece
- 杂志
- Biotechnology Journal（2007）
- DOI
- 10.1002/biot.200700184
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何在植物和微生物中重建类黄酮和芪类化合物的多酶合成途径，以提高这些具有健康益处的天然产物的产量。
研究策略
系统综述了利用转录因子调控、植物代谢工程改造及微生物(大肠杆菌、酿酒酵母等)异源表达多酶途径等策略，以实现类黄酮和芪类化合物的生产。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了在植物和微生物中重建类黄酮与芪类等多酶合成途径的策略，旨在提高白藜芦醇、柚皮素等苯丙烷来源天然产物的产量。作者梳理了三条主要技术路径：利用转录因子调控内源代谢、在植物中进行途径工程改造，以及在大肠杆菌和酿酒酵母中异源表达多酶途径。文中比较了不同宿主与培养条件下的生产水平，例如在大肠杆菌中通过共表达4CL与RS可将p-香豆酸转化为白藜芦醇，产量约100 μg/mL培养液；以TAL替代C4H可合成柚皮素，48小时产量约21 μg/mL。在酿酒酵母中重建PAL、C4H、4CL、CHS、CHI等途径后，柚皮素产量达28 mg/L，而花青素在大肠杆菌中仅产5.6 μg/L。植物改造方面，在番茄中过表达矮牵牛CHI使果皮类黄酮含量最高提升78倍，在雪莲毛状根中过表达CHI令芹菜素产量提高12倍。这些结果表明，通过多酶途径重建可成功生产多种高价值天然产物，但当前产量与商业化要求仍有差距，经济可行性尚待进一步评估。
创新点
汇总了多种途径重建策略，包括转录因子共表达、人工双功能酶融合蛋白、P450酶与还原酶的共表达、植物来源酶的微生物表达等，并比较了不同宿主和培养条件下的产量。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 芪类代谢 | 4CL | 4-香豆酸-CoA连接酶 | 催化 | 来自拟南芥，催化p-香豆酸生成香豆酰-CoA |
| Escherichia coli | 芪类代谢 | RS | 白藜芦醇合酶 | 催化 | 来自花生，与4CL共表达生产白藜芦醇，产量约100 μg/mL |
| Escherichia coli | 类黄酮代谢 | TAL | 酪氨酸解氨酶 | 催化 | 来自荚膜红细菌，将酪氨酸转化为p-香豆酸，替代C4H，柚皮素产量约21 μg/mL |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷代谢 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 来自杨树，将苯丙氨酸转化为肉桂酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷代谢 | C4H | 肉桂酸-4-羟化酶 | 催化 | 来自杨树，催化肉桂酸生成p-香豆酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷代谢 | CPR | NADPH-细胞色素P450还原酶 | 能量供给 | 为C4H提供还原当量，与C4H共表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类黄酮代谢 | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | 来自大豆，将查尔酮异构化为柚皮素 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异黄酮代谢 | IFS | 异黄酮合酶 | 催化 | 来自大豆或甘草，催化黄烷酮转化为异黄酮 |
| Saccharomyces cerevisiae | 黄酮代谢 | FNSII | 黄酮合酶II | 催化 | 来自非洲菊，催化柚皮素生成芹菜素 |
| Saccharomyces cerevisiae | 黄酮醇代谢 | F3H | 黄烷酮-3-羟化酶 | 催化 | 催化柚皮素转化为二氢山奈酚 |
| Saccharomyces cerevisiae | 黄酮醇代谢 | F3'H | 类黄酮3'-羟化酶 | 催化 | 来自拟南芥，催化柚皮素生成圣草酚 |
| Saccharomyces cerevisiae | 黄酮醇代谢 | FLS | 黄酮醇合酶 | 催化 | 将二氢黄酮醇转化为黄酮醇 |
| Pichia pastoris | 类黄酮代谢 | FL6H | 黄酮醇-6-羟化酶 | 催化 | 来自黄花蒿，催化部分甲基化类黄酮A环6位羟基化 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum) | 类黄酮代谢 | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | 来自矮牵牛，过表达使果实果皮类黄酮含量增加达78倍 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum) | 类黄酮代谢 | LC | MYC转录因子 | 调控 | 来自玉米，与C1共表达上调类黄酮途径，增加花青素含量 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum) | 类黄酮代谢 | C1 | MYB转录因子 | 调控 | 来自玉米，与LC共表达促进类黄酮生物合成 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类黄酮代谢 | PAP1 | MYB转录因子 | 调控 | 促进花青素生物合成 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 异黄酮代谢 | IFS | 异黄酮合酶 | 催化 | 来自大豆，表达后产生染料木素 |
| 雪莲 (Saussurea involucrata) | 类黄酮代谢 | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | 来自水母雪莲，毛状根中过表达使芹菜素产量提高12倍 |
关键发现
- 在大肠杆菌中，利用4CL和RS可将p-香豆酸转化为白藜芦醇，产量约100 μg/mL培养液
- 利用TAL替代C4H可生产柚皮素，约21 μg/mL（48 h）。在酿酒酵母中，经PAL、C4H、4CL、CHS、CHI等重建途径，柚皮素产量可达28 mg/L
- 而花青素在大肠杆菌中产量较低，仅5.6 μg/L。通过在番茄中过表达矮牵牛CHI，果皮类黄酮含量最高提升78倍
- 在雪莲毛状根中过表达CHI使芹菜素产量提高12倍。此外，在油菜种子中表达葡萄RS可产生白藜芦醇糖苷，在酵母中发酵葡萄汁可产生0.5-1.5 μg/L的白藜芦醇糖苷。
研究结论
研究表明，通过转录因子调控和代谢工程手段，在植物和微生物中重建苯丙烷来源的多酶途径已取得成功，能够生产白藜芦醇、柚皮素、染料木素等多种高价值天然产物。但当前产量与商业化要求仍有差距，经济可行性有待进一步评估。