植物天然產物合成生物學研究

人參皂苷

人參皂苷是名貴中藥人參和西洋參的有效成分，是原人參二醇、原人參三醇和齊墩果酸三類苷元在糖基轉移酶的催化下形成的系列混合物的總稱，具有抗腫瘤、降血糖、促免疫等功能。中國科學院天津工業生物技術研究所與中國中醫科學院中藥資源中心合作，在釀酒酵母中首次成功構建原人參二醇的生物合成途徑，并且發現鯊烯環氧酶在控制三萜化合物的生物合成中起關鍵作用。在此基礎上，通過提高關鍵基因的表達活性，將原人參二醇的產量提高了262?倍。再通過雙相發酵工藝優化，最終將原人參二醇的產量提高至?1?g/L。近期，合作團隊公開報道了將細胞工廠三萜合成通量提高到?10?g/L?級別的構建方案，創建出產量能達到?15?g/L?人參皂苷前體的高效酵母細胞工廠。另外，將齊墩果酸、原人參二醇和原人參三醇這?3?個功能模塊導入同一底盤細胞，獲得能同時合成?3?種人參基本皂苷元的第一代基于多組分概念的“人參酵母”細胞工廠。

中國科學院上海植物生理生態研究所與中國科學院上海藥物研究所合作，首先從人參中克隆和鑒定了合成稀有人參皂苷?CK、Rh2、Rg3、Rh1?和?F1?所需要關鍵糖基轉移酶和?P450?還原酶?PgCPR1。在此基礎上通過細胞工廠的構建和優化，實現了利用單糖發酵生產稀有人參皂苷?CK、Rh2、Rg3、Rh1?和?F1?的工藝，目前產量均超過?2?g/L。近期該團隊又從人參和三七中進一步挖掘了?20?多個糖基轉移酶，較全面解析了人參和三七皂苷的生物合成途徑。相關糖基轉移酶的專利已經進入?6?個國家和地區進行審查，其中在中國和日本已經獲得授權（PCT/CN2013/088819）。

三萜酸類

蘋果、山楂、枇杷、棗和梨等水果表皮蠟質中含有微量的高值三萜酸類活性成分，包括科羅索酸、山楂酸、麥珠子酸和積雪草酸等化合物。它們在抗病毒、糖尿病控制和皮膚修復等方面有廣泛用途，是一類重要的膳食補充劑。其中，科羅索酸在抗糖尿病方面有顯著作用，被認為是一種天然植物胰島素。從原植物中直接提取是目前生產這類化合物的主要方式。為了創建高效微生物細胞工廠實現這類藥效化合物的發酵法生產，中國科學院天津工業生物技術研究所研究團隊開發了“即插即用”生物合成途徑快速解析平臺，包括植物組織培養、差異轉錄組測序分析和代謝物分析、候選基因在底盤細胞中的表征及化合物鑒定。利用這一平臺，團隊從藥用植物山楂P450?庫中首次篩選到能催化齊墩果酸和烏索酸生成?2?位?α-?羥化產物山楂酸和科羅索酸的功能?P450?酶?MAA45。在此基礎上，創建出高效生產山楂酸和科羅索酸的釀酒酵母細胞工廠，產量分別達?384?mg/L?和?141?mg/L。

類胡蘿卜素

類胡蘿卜素在醫藥、營養品、化妝品以及食品領域具有重要用途。β-?胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素是代表性的類胡蘿卜素。中國科學院天津工業生物技術研究所以類胡蘿卜素為研究對象，從物質代謝調控、能量代謝調控和細胞生理調控這?3?個方面開展研究，較為系統地解析了微生物高效合成萜類化合物的調控機制。①在物質代謝方面，發現?IspG?和?IspH?是重要的限速步驟，并且這兩個酶需要協同表達才能發揮作用。IspG?的單獨過表達會導致有毒中間代謝物?HMBPP?積累，嚴重抑制細胞生長代謝。②在能量代謝方面，通過對中央代謝途徑（磷酸戊糖和?TCA）的多尺度模塊化調控，發現?TCA?途徑的代謝通量是大腸桿菌好氧合成?NADPH?的最主要限制因素，解決了萜類化合物合成代謝中的還原力不平衡問題。③在細胞生理調控方面，系統研究了大腸桿菌細胞膜存儲能力的限制因素，發現細胞膜形態和細胞膜組分合成能力是制約大腸桿菌細胞膜存儲能力的關鍵因素。引入外源的膜折疊蛋白，能改變大腸桿菌的細胞膜形態，形成細胞膜向內的褶皺。增強甘油磷脂合成能力可以進一步增加細胞膜向內的褶皺，從而進一步增強細胞膜存儲能力并顯著提高萜類化合物的產量。在此基礎上，構建出一系列高效生產類胡蘿卜素的微生物細胞工廠。在?200?L?發酵罐中完成了番茄紅素的中試驗證，發酵?48?小時，番茄紅素產量達?7?g/L。