植物天然产物合成生物学研究

植物天然产物合成生物学研究路线

在实现植物天然产物发酵法生产的过程中，特征基因元件挖掘与优化、生物合成途径优化和细胞工厂性能提升等组成了植物天然产物合成生物学研究的基本内容。

特征元件挖掘与优化

除启动子、终止子等主要控制基因表达的基因元件外，鉴定和优化植物天然产物生物合成途径中的关键基因元件是应用合成生物学技术革新天然产物生产方式的核心和源头。

植物天然产物生物合成途径的解析，目前主要采取基因组或转录组-异源重建的方法进行挖掘。近年来，基于基因测序技术和生物信息学的发展，吗啡、甘草酸、人参皂苷、丹参酮、葫芦素、罗汉果苷、依托泊苷和长春花碱等重要植物天然产物生物合成途径的解析取得突破。一批重要类型的基因功能元件被挖掘和鉴定，其中被称为“万能生物催化剂”的细胞色素 P450 酶的催化机制被深入研究。然而，自然界中存在的有重要价值的植物天然产物（如青蒿素和吗啡等）就有上万种。由于各种制约因素，在这样一个相当丰富的群体中，只有极少数分子的生物合成过程机制得到解析。因此，开发高效、可靠和低成本的方法平台，进行规模化的植物天然产物合成途径的分子基础与过程机制解析，对植物天然产物这一自然宝库的系统保护和有效开发具有重要战略意义。

在功能元件优化方面，对于蛋白质晶体结构、催化机理较清晰的酶，可采用理性设计的方法。如基于纤维假丝酵母木糖还原酶（XR）的结构，对 Lys274 和 Asn276 等氨基酸位点进行了突变后，发现 XR 对辅因子 NADPH 的偏好性提高了 170 倍。然而，来源于植物天然产物合成途径的功能酶类型复杂，绝大多数的晶体结构未得到解析。对这类酶的改造，目前一般是用随机突变等方法对正突变进行进一步富集，从而使酶的活性、热稳定性、对底物的亲和力和偏好性得到很大改善。如利用随机突变的方法，对类球红细菌合成酶进行定向进化改造，使番茄红素工程菌株产量提高了近一倍。

另外，通过功能酶融合和搭建蛋白质脚手架的方法，可使代谢途径中各个酶形成可控的复合体，提高底物的有效浓度，降低毒性中间体的积累，从而达到提高底物转化率的效果。如融合酿酒酵母内源的法尼基焦磷酸合成酶及牻牛儿牻牛儿基焦磷酸合成酶，可显著提高酿酒酵母牻牛儿牻牛儿基焦磷酸的合成能力；通过搭建蛋白质手脚架的方法，优化甲羟戊酸的 3 个合成酶的比例和空间布局来提高产物生成量，同时降低细胞负荷，最终甲羟戊酸的浓度提高了 77 倍。