Bacterial terpene biosynthesis: challenges and opportunities for pathway engineering
- 作者
- Eric J. N. Helfrich, Geng-Min Lin, Christopher A. Voigt, Jon Clardy
- 单位
- Harvard Medical School, Department of Biological Chemistry and Molecular Pharmacology; Massachusetts Institute of Technology, Department of Biological Engineering
- 杂志
- Beilstein Journal of Organic Chemistry（2019）
- DOI
- 10.3762/bjoc.15.283
- 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
细菌萜类生物合成途径工程化面临的关键挑战：缺乏从基因序列预测萜烯环化产物结构的规律、细菌萜类产量低、异源表达效率不高，以及如何利用途径固有的杂泛性进行理性设计以产生新萜类化合物。
研究策略
综述细菌萜类生物合成的两阶段逻辑（环化与修饰），分析萜烯环化酶和细胞色素P450的底物杂泛性，提出结合合成生物学工具（模块化途径优化、动态调控、异源表达、酶工程）进行途径重编程，以扩大萜类化学空间并实现高价值萜类生产。
核心内容
细菌萜类生物合成途径因其基因簇紧凑、酶底物杂泛性显著而成为合成生物学改造的理想对象。该综述系统梳理了细菌萜类生物合成的两阶段逻辑，即萜烯环化酶催化底物环化形成骨架，随后细胞色素P450等修饰酶引入官能团，并重点分析了这两个核心酶家族在底物识别上的可塑性。文中总结了利用这种杂泛性进行途径重编程的多条策略：通过单点突变改变环化酶的产物谱，将不同来源的环化酶与P450组合配对以创造新骨架，甚至利用非天然前体扩展化学空间。文中列举的证据显示，10-epi-cubebol合酶可产生至少25种倍半萜骨架，spata-13,17-diene合酶能接受C15、C20和C25底物，II型和I型环化酶的组合分别产生13、41和49种新骨架。在产量提升方面，通过多变量模块优化使taxadiene产量提高15,000倍，利用CYP库氧化单萜获得27个未报道的萜类。这些进展表明，借助动态调控、前体途径工程（如nDXP、IUP）和异源表达宿主优化，细菌萜类途径的工程化改造能够高效产生非天然萜类，为紫杉醇等高价值萜类药物的可持续生物技术生产奠定基础。
创新点
强调萜类生物合成途径的'可塑性'与'杂泛性'作为工程优势；总结TC与CYP的组合配对、单点突变改变产物谱、非天然前体利用；引入动态调控和新型前体途径（nDXP、IUP）以解决毒性/瓶颈问题。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP途径 | dxs; idi; ispD; ispF; fps; ggps | — | 催化 | 过表达瓶颈酶以提高异戊二烯前体供应 |
| Escherichia coli | MVA途径 | mk; hmgr | — | 催化 | 外源MVA途径酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | erg20 | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 突变erg20以偏向产生GPP而非FPP |
| Escherichia coli | MVA途径 | FPP-responsive promoter | — | 调控 | 动态控制MVA途径基因和萜烯环化酶表达，防止FPP积累毒性 |
| Escherichia coli | 萜类合成 | — | P450 BM3 (CYP102A1) | 催化 | 理性工程化（F87A/A328L和R47L/Y51F）用于amorphadiene环氧化 |
| Escherichia coli | 赤霉素生物合成 | — | CYP114 | 催化 | 催化ent-kaurenoic acid的氧化及六元环到五元环收缩 |
| Sorangium cellulosum Soce56 | 倍半萜合成 | — | 10-epi-cubebol synthase | 催化 | 至少产生25种不同的倍半萜骨架 |
| — | 萜类合成 | — | spata-13,17-diene synthase | 催化 | 可接受FPP(C15)、GGPP(C20)和GFPP(C25)分别生成倍半萜、二萜和二倍半萜 |
| Streptomyces | 倍半萜合成 | — | epi-isozizaene synthase | 催化 | 通过单点突变重塑活性位点，产生线性、单环、双环和三环萜类骨架 |
| Streptomyces | 二萜合成 | — | cyclooctat-9-en-7-ol synthase | 催化 | 活性位点残基突变改变阳离子中间体稳定化，产生新萜类骨架 |
| Escherichia coli | 二萜合成 | — | type II/type I diterpene cyclases | 催化 | 组合配对产生13、41和49种新二萜骨架 |
| Escherichia coli | 萜类修饰 | — | 细胞色素P450s | 催化 | 底物杂泛性，可氧化非天然底物，产生多种新结构 |
| Escherichia coli | P450电子传递 | fdx; fdr | ferredoxin; ferredoxin reductase | 能量供给 | 为CYP催化的氧化反应提供电子 |
关键发现
- 已表征的萜类化合物超过70,000种，分属400多个结构家族
- antiSMASH数据库预测超过4,000个细菌萜类BGC，但MIBiG中仅127个被表征
- 10-epi-cubebol合酶至少产生25种倍半萜骨架
- spata-13,17-diene合酶可接受C15、C20和C25底物
- II型与I型萜烯环化酶组合分别产生13、41和49种新骨架
- 通过多变量模块优化使taxadiene产量提高15,000倍
- P450BM3经理性改造后实现amorphadiene环氧化
- 利用CYP库氧化单萜产生27个未报道的萜类
- THC在酵母中重构通过上调MVA途径、突变erg20实现。
研究结论
细菌萜类生物合成途径较小且酶具有显著杂泛性，非常适合合成生物学工程改造；通过组合TC与CYP的杂泛性、优化前体供应和异源表达宿主，可高效产生非天然萜类，为高价值萜类药物（如紫杉醇）的可持续生物技术生产铺平道路。