植物天然产物合成生物学研究

人参皂苷

人参皂苷是名贵中药人参和西洋参的有效成分，是原人参二醇、原人参三醇和齐墩果酸三类苷元在糖基转移酶的催化下形成的系列混合物的总称，具有抗肿瘤、降血糖、促免疫等功能。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，在酿酒酵母中首次成功构建原人参二醇的生物合成途径，并且发现鲨烯环氧酶在控制三萜化合物的生物合成中起关键作用。在此基础上，通过提高关键基因的表达活性，将原人参二醇的产量提高了262 倍。再通过双相发酵工艺优化，最终将原人参二醇的产量提高至 1 g/L。近期，合作团队公开报道了将细胞工厂三萜合成通量提高到 10 g/L 级别的构建方案，创建出产量能达到 15 g/L 人参皂苷前体的高效酵母细胞工厂。另外，将齐墩果酸、原人参二醇和原人参三醇这 3 个功能模块导入同一底盘细胞，获得能同时合成 3 种人参基本皂苷元的第一代基于多组分概念的“人参酵母”细胞工厂。

中国科学院上海植物生理生态研究所与中国科学院上海药物研究所合作，首先从人参中克隆和鉴定了合成稀有人参皂苷 CK、Rh2、Rg3、Rh1 和 F1 所需要关键糖基转移酶和 P450 还原酶 PgCPR1。在此基础上通过细胞工厂的构建和优化，实现了利用单糖发酵生产稀有人参皂苷 CK、Rh2、Rg3、Rh1 和 F1 的工艺，目前产量均超过 2 g/L。近期该团队又从人参和三七中进一步挖掘了 20 多个糖基转移酶，较全面解析了人参和三七皂苷的生物合成途径。相关糖基转移酶的专利已经进入 6 个国家和地区进行审查，其中在中国和日本已经获得授权（PCT/CN2013/088819）。

三萜酸类

苹果、山楂、枇杷、枣和梨等水果表皮蜡质中含有微量的高值三萜酸类活性成分，包括科罗索酸、山楂酸、麦珠子酸和积雪草酸等化合物。它们在抗病毒、糖尿病控制和皮肤修复等方面有广泛用途，是一类重要的膳食补充剂。其中，科罗索酸在抗糖尿病方面有显著作用，被认为是一种天然植物胰岛素。从原植物中直接提取是目前生产这类化合物的主要方式。为了创建高效微生物细胞工厂实现这类药效化合物的发酵法生产，中国科学院天津工业生物技术研究所研究团队开发了“即插即用”生物合成途径快速解析平台，包括植物组织培养、差异转录组测序分析和代谢物分析、候选基因在底盘细胞中的表征及化合物鉴定。利用这一平台，团队从药用植物山楂P450 库中首次筛选到能催化齐墩果酸和乌索酸生成 2 位 α- 羟化产物山楂酸和科罗索酸的功能 P450 酶 MAA45。在此基础上，创建出高效生产山楂酸和科罗索酸的酿酒酵母细胞工厂，产量分别达 384 mg/L 和 141 mg/L。

类胡萝卜素

类胡萝卜素在医药、营养品、化妆品以及食品领域具有重要用途。β- 胡萝卜素、番茄红素、虾青素是代表性的类胡萝卜素。中国科学院天津工业生物技术研究所以类胡萝卜素为研究对象，从物质代谢调控、能量代谢调控和细胞生理调控这 3 个方面开展研究，较为系统地解析了微生物高效合成萜类化合物的调控机制。①在物质代谢方面，发现 IspG 和 IspH 是重要的限速步骤，并且这两个酶需要协同表达才能发挥作用。IspG 的单独过表达会导致有毒中间代谢物 HMBPP 积累，严重抑制细胞生长代谢。②在能量代谢方面，通过对中央代谢途径（磷酸戊糖和 TCA）的多尺度模块化调控，发现 TCA 途径的代谢通量是大肠杆菌好氧合成 NADPH 的最主要限制因素，解决了萜类化合物合成代谢中的还原力不平衡问题。③在细胞生理调控方面，系统研究了大肠杆菌细胞膜存储能力的限制因素，发现细胞膜形态和细胞膜组分合成能力是制约大肠杆菌细胞膜存储能力的关键因素。引入外源的膜折叠蛋白，能改变大肠杆菌的细胞膜形态，形成细胞膜向内的褶皱。增强甘油磷脂合成能力可以进一步增加细胞膜向内的褶皱，从而进一步增强细胞膜存储能力并显著提高萜类化合物的产量。在此基础上，构建出一系列高效生产类胡萝卜素的微生物细胞工厂。在 200 L 发酵罐中完成了番茄红素的中试验证，发酵 48 小时，番茄红素产量达 7 g/L。