人參皂苷

人參皂苷是名貴中藥人參和西洋參的有效成分，是原人參二醇、原人參三醇和齊墩果酸三類苷元在糖基轉(zhuǎn)移酶的催化下形成的系列混合物的總稱，具有抗腫瘤、降血糖、促免疫等功能。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與中國中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心合作，在釀酒酵母中首次成功構(gòu)建原人參二醇的生物合成途徑，并且發(fā)現(xiàn)鯊烯環(huán)氧酶在控制三萜化合物的生物合成中起關(guān)鍵作用。在此基礎(chǔ)上，通過提高關(guān)鍵基因的表達(dá)活性，將原人參二醇的產(chǎn)量提高了262?倍。再通過雙相發(fā)酵工藝優(yōu)化，最終將原人參二醇的產(chǎn)量提高至?1?g/L。近期，合作團(tuán)隊公開報道了將細(xì)胞工廠三萜合成通量提高到?10?g/L?級別的構(gòu)建方案，創(chuàng)建出產(chǎn)量能達(dá)到?15?g/L?人參皂苷前體的高效酵母細(xì)胞工廠。另外，將齊墩果酸、原人參二醇和原人參三醇這?3?個功能模塊導(dǎo)入同一底盤細(xì)胞，獲得能同時合成?3?種人參基本皂苷元的第一代基于多組分概念的“人參酵母”細(xì)胞工廠。

中國科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所與中國科學(xué)院上海藥物研究所合作，首先從人參中克隆和鑒定了合成稀有人參皂苷?CK、Rh2、Rg3、Rh1?和?F1?所需要關(guān)鍵糖基轉(zhuǎn)移酶和?P450?還原酶?PgCPR1。在此基礎(chǔ)上通過細(xì)胞工廠的構(gòu)建和優(yōu)化，實現(xiàn)了利用單糖發(fā)酵生產(chǎn)稀有人參皂苷?CK、Rh2、Rg3、Rh1?和?F1?的工藝，目前產(chǎn)量均超過?2?g/L。近期該團(tuán)隊又從人參和三七中進(jìn)一步挖掘了?20?多個糖基轉(zhuǎn)移酶，較全面解析了人參和三七皂苷的生物合成途徑。相關(guān)糖基轉(zhuǎn)移酶的專利已經(jīng)進(jìn)入?6?個國家和地區(qū)進(jìn)行審查，其中在中國和日本已經(jīng)獲得授權(quán)（PCT/CN2013/088819）。

三萜酸類

蘋果、山楂、枇杷、棗和梨等水果表皮蠟質(zhì)中含有微量的高值三萜酸類活性成分，包括科羅索酸、山楂酸、麥珠子酸和積雪草酸等化合物。它們在抗病毒、糖尿病控制和皮膚修復(fù)等方面有廣泛用途，是一類重要的膳食補(bǔ)充劑。其中，科羅索酸在抗糖尿病方面有顯著作用，被認(rèn)為是一種天然植物胰島素。從原植物中直接提取是目前生產(chǎn)這類化合物的主要方式。為了創(chuàng)建高效微生物細(xì)胞工廠實現(xiàn)這類藥效化合物的發(fā)酵法生產(chǎn)，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究團(tuán)隊開發(fā)了“即插即用”生物合成途徑快速解析平臺，包括植物組織培養(yǎng)、差異轉(zhuǎn)錄組測序分析和代謝物分析、候選基因在底盤細(xì)胞中的表征及化合物鑒定。利用這一平臺，團(tuán)隊從藥用植物山楂P450?庫中首次篩選到能催化齊墩果酸和烏索酸生成?2?位?α-?羥化產(chǎn)物山楂酸和科羅索酸的功能?P450?酶?MAA45。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建出高效生產(chǎn)山楂酸和科羅索酸的釀酒酵母細(xì)胞工廠，產(chǎn)量分別達(dá)?384?mg/L?和?141?mg/L。

類胡蘿卜素

類胡蘿卜素在醫(yī)藥、營養(yǎng)品、化妝品以及食品領(lǐng)域具有重要用途。β-?胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素是代表性的類胡蘿卜素。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所以類胡蘿卜素為研究對象，從物質(zhì)代謝調(diào)控、能量代謝調(diào)控和細(xì)胞生理調(diào)控這?3?個方面開展研究，較為系統(tǒng)地解析了微生物高效合成萜類化合物的調(diào)控機(jī)制。①在物質(zhì)代謝方面，發(fā)現(xiàn)?IspG?和?IspH?是重要的限速步驟，并且這兩個酶需要協(xié)同表達(dá)才能發(fā)揮作用。IspG?的單獨(dú)過表達(dá)會導(dǎo)致有毒中間代謝物?HMBPP?積累，嚴(yán)重抑制細(xì)胞生長代謝。②在能量代謝方面，通過對中央代謝途徑（磷酸戊糖和?TCA）的多尺度模塊化調(diào)控，發(fā)現(xiàn)?TCA?途徑的代謝通量是大腸桿菌好氧合成?NADPH?的最主要限制因素，解決了萜類化合物合成代謝中的還原力不平衡問題。③在細(xì)胞生理調(diào)控方面，系統(tǒng)研究了大腸桿菌細(xì)胞膜存儲能力的限制因素，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜形態(tài)和細(xì)胞膜組分合成能力是制約大腸桿菌細(xì)胞膜存儲能力的關(guān)鍵因素。引入外源的膜折疊蛋白，能改變大腸桿菌的細(xì)胞膜形態(tài)，形成細(xì)胞膜向內(nèi)的褶皺。增強(qiáng)甘油磷脂合成能力可以進(jìn)一步增加細(xì)胞膜向內(nèi)的褶皺，從而進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞膜存儲能力并顯著提高萜類化合物的產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建出一系列高效生產(chǎn)類胡蘿卜素的微生物細(xì)胞工廠。在?200?L?發(fā)酵罐中完成了番茄紅素的中試驗證，發(fā)酵?48?小時，番茄紅素產(chǎn)量達(dá)?7?g/L。