植物天然产物合成生物学研究

萜类

萜类化合物广泛存在于自然界中，目前已超过 5 万种的萜类化合物被发现，其中大部分是药用植物中的有效成分。青蒿素、抗癌药物紫杉醇、具有保健作用的人参皂苷及作为抗氧化剂的类胡萝卜素类化合物均属于萜类。

萜类香精

全球香精香料市场广阔，檀香醇、广藿香醇、橙花叔醇、β- 榄香烯等萜类精油广泛应用于日化品、食品和药品等领域。其中，β- 榄香烯是从姜科植物温郁金、莪术等药用植物中提取的国家一类抗癌药物的有效成分。天然来源的 β- 榄香烯含量低、化学类似物组成复杂等原因，导致其分离成本过高。中国科学院天津工业生物技术研究所与中国中医科学院中药资源中心合作，利用代谢工程与合成生物学技术提高酿酒酵母中萜类的生物合成通量和产物兼容性。在此基础上，进行吉玛烯 A 合成酶的蛋白质工程改造和高产吉玛烯 A 工程菌创建，并成功开发吉玛烯 A 热转化为 β- 榄香烯的耦合工艺，最终将高纯度 β- 榄香烯获得成本降为植物提取的 0.15%。

丹参酮

近几年来，我国在丹参酮人工合成细胞研究领域取得了重要进展。丹参酮属于松香烷型二萜化合物，是我国传统中药丹参的主要有效成分，具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗肿瘤等多种活性。中国中医科学院中药资源中心与中国科学院大连化学物理研究所、美国爱荷华州立大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国科学院上海辰山植物科学研究中心、中国科学院天津工业生物技术研究所等研究单位合作，发现了催化生成丹参酮基本骨架——次丹参酮二烯的两个功能酶，构建了高产次丹参酮二烯的酵母工程菌株。进而利用 C-13 同位素标记技术，确定了该碳骨架结构在丹参酮生物合成中的作用。在此基础上，又发现了催化次丹参酮二烯生成代谢中间产物铁锈醇的关键酶基因 CYP76AH1，并构建了高产铁锈醇的酵母工程菌。之后又进一步发现了催化 C-7、C-11 和 C-20 位点的 P450 基因，获得了能同时产生多种丹参酮类化合物的酵母工程菌。

甜菊糖

甜菊糖是下一代重要的健康天然甜味剂。中国科学院上海植物生理生态研究所通过构建甜叶菊功能基因数据库，对甜菊糖生物合成途径的关键酶进行了充分挖掘。成功鉴定了甜菊糖生物合成途径中的关键酶，并在大肠杆菌底盘细胞中重构了从头合成甜菊糖苷类化合物的非天然合成途径。经一系列理性设计和优化，使大肠杆菌中甜菊糖生物合成的关键中间体产量得到大幅度提高，并成功地获得了其主要组分RA^[。在此基础上，该团队又解析了甜叶悬钩子与明日叶中甜茶素的生物合成过程，报道了 6 条新的二萜糖基转移酶，并对其底物识别的机制进行了研究。通过不同物种来源的糖基转移酶的正交组合，在微生物细胞中实现了甜茶素的高效全细胞转化。该研究为实现重要二萜类糖苷化合物的合成生物制造奠定了基础，同时为改造大肠杆菌成为复杂萜类化合物异源合成的底盘细胞提供了成功范例。