植物天然產(chǎn)物合成生物學研究路線

在實現(xiàn)植物天然產(chǎn)物發(fā)酵法生產(chǎn)的過程中，特征基因元件挖掘與優(yōu)化、生物合成途徑優(yōu)化和細胞工廠性能提升等組成了植物天然產(chǎn)物合成生物學研究的基本內(nèi)容。

特征元件挖掘與優(yōu)化

除啟動子、終止子等主要控制基因表達的基因元件外，鑒定和優(yōu)化植物天然產(chǎn)物生物合成途徑中的關鍵基因元件是應用合成生物學技術革新天然產(chǎn)物生產(chǎn)方式的核心和源頭。

植物天然產(chǎn)物生物合成途徑的解析，目前主要采取基因組或轉錄組-異源重建的方法進行挖掘。近年來，基于基因測序技術和生物信息學的發(fā)展，嗎啡、甘草酸、人參皂苷、丹參酮、葫蘆素、羅漢果苷、依托泊苷和長春花堿等重要植物天然產(chǎn)物生物合成途徑的解析取得突破。一批重要類型的基因功能元件被挖掘和鑒定，其中被稱為“萬能生物催化劑”的細胞色素?P450?酶的催化機制被深入研究。然而，自然界中存在的有重要價值的植物天然產(chǎn)物（如青蒿素和嗎啡等）就有上萬種。由于各種制約因素，在這樣一個相當豐富的群體中，只有極少數(shù)分子的生物合成過程機制得到解析。因此，開發(fā)高效、可靠和低成本的方法平臺，進行規(guī)模化的植物天然產(chǎn)物合成途徑的分子基礎與過程機制解析，對植物天然產(chǎn)物這一自然寶庫的系統(tǒng)保護和有效開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義。

在功能元件優(yōu)化方面，對于蛋白質晶體結構、催化機理較清晰的酶，可采用理性設計的方法。如基于纖維假絲酵母木糖還原酶（XR）的結構，對?Lys274?和?Asn276?等氨基酸位點進行了突變后，發(fā)現(xiàn)?XR?對輔因子?NADPH?的偏好性提高了?170?倍。然而，來源于植物天然產(chǎn)物合成途徑的功能酶類型復雜，絕大多數(shù)的晶體結構未得到解析。對這類酶的改造，目前一般是用隨機突變等方法對正突變進行進一步富集，從而使酶的活性、熱穩(wěn)定性、對底物的親和力和偏好性得到很大改善。如利用隨機突變的方法，對類球紅細菌合成酶進行定向進化改造，使番茄紅素工程菌株產(chǎn)量提高了近一倍。

另外，通過功能酶融合和搭建蛋白質腳手架的方法，可使代謝途徑中各個酶形成可控的復合體，提高底物的有效濃度，降低毒性中間體的積累，從而達到提高底物轉化率的效果。如融合釀酒酵母內(nèi)源的法尼基焦磷酸合成酶及牻牛兒牻牛兒基焦磷酸合成酶，可顯著提高釀酒酵母牻牛兒牻牛兒基焦磷酸的合成能力；通過搭建蛋白質手腳架的方法，優(yōu)化甲羥戊酸的?3?個合成酶的比例和空間布局來提高產(chǎn)物生成量，同時降低細胞負荷，最終甲羥戊酸的濃度提高了?77?倍。