研究案例

近?10?年來(lái)，植物天然產(chǎn)物的合成生物學(xué)領(lǐng)域研究發(fā)展迅速。萜類、苯丙素類和生物堿等系列植物天然產(chǎn)物的人工合成細(xì)胞工廠被成功創(chuàng)建。

抗瘧一線藥物青蒿素，是由?20?世紀(jì)?70?年代中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所屠呦呦及其研究團(tuán)隊(duì)在我國(guó)傳統(tǒng)中草藥青蒿中發(fā)現(xiàn)的一種倍半萜類化合物。過(guò)去的生產(chǎn)方式為，從黃花蒿中直接提取。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家歷時(shí)?10?年，實(shí)現(xiàn)了利用酵母細(xì)胞工廠發(fā)酵生產(chǎn)青蒿酸，并開(kāi)發(fā)了經(jīng)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)合成青蒿素的工藝。經(jīng)計(jì)算，其在不到?100?m³發(fā)酵車間中年產(chǎn)青蒿素能達(dá)到?35?t，相當(dāng)于我國(guó)近?5?萬(wàn)畝耕地的種植產(chǎn)量。該項(xiàng)工作被認(rèn)為是利用人工合成細(xì)胞生產(chǎn)植物萜類天然產(chǎn)物研究領(lǐng)域的里程碑工作。

在鎮(zhèn)痛藥物的生產(chǎn)方面，美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家結(jié)合功能元件挖掘和優(yōu)化、合成途徑構(gòu)建及優(yōu)化等手段，將一系列細(xì)菌、植物、動(dòng)物以及酵母來(lái)源的功能基因?qū)虢湍钢校瑢?shí)現(xiàn)了發(fā)酵法生產(chǎn)嗎啡等阿片類生物堿的突破。

在抗癌藥物的生產(chǎn)方面，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌中引入了二萜抗癌藥物紫杉醇生物合成的紫杉二烯合成酶，并對(duì)上游?MEP?功能模塊及下游萜類合成功能模塊進(jìn)行精確調(diào)控，最終獲得了產(chǎn)量達(dá)?1?g/L?的紫杉二烯的細(xì)胞工廠^[35]。

在俗稱“腦黃金”的?DHA?和?EPA?等長(zhǎng)鏈脂肪酸生產(chǎn)方面，杜邦公司的研發(fā)人員在脂肪酸含量可占?40%細(xì)胞干重的解脂耶氏酵母中引入?21?個(gè)編碼?5?種不同酶的外源基因，工程菌株可生產(chǎn)占?15%?細(xì)胞干重的長(zhǎng)鏈脂肪酸?EPA。

我國(guó)在植物天然產(chǎn)物人工合成細(xì)胞的研究領(lǐng)域有很好的工作基礎(chǔ)。建立了一整套植物天然產(chǎn)物合成生物學(xué)生產(chǎn)的技術(shù)體系，包括植物天然產(chǎn)物基因元件挖掘技術(shù)、高通量自動(dòng)化克隆技術(shù)、合成途徑創(chuàng)建與精確調(diào)控技術(shù)、發(fā)酵與分離提取技術(shù)。也創(chuàng)建了包括?β-?欖香烯、類胡蘿卜素、人參皂苷、天麻素、甜菊糖苷、三萜酸、紅景天苷、羅漢果甜苷、燈盞乙素等一系列植物天然產(chǎn)物的人工合成細(xì)胞，詳述如下。