研究案例

近?10?年來，植物天然產物的合成生物學領域研究發展迅速。萜類、苯丙素類和生物堿等系列植物天然產物的人工合成細胞工廠被成功創建。

抗瘧一線藥物青蒿素，是由?20?世紀?70?年代中國中醫科學院中藥研究所屠呦呦及其研究團隊在我國傳統中草藥青蒿中發現的一種倍半萜類化合物。過去的生產方式為，從黃花蒿中直接提取。美國加州大學伯克利分校的科學家歷時?10?年，實現了利用酵母細胞工廠發酵生產青蒿酸，并開發了經簡單化學反應合成青蒿素的工藝。經計算，其在不到?100?m³發酵車間中年產青蒿素能達到?35?t，相當于我國近?5?萬畝耕地的種植產量。該項工作被認為是利用人工合成細胞生產植物萜類天然產物研究領域的里程碑工作。

在鎮痛藥物的生產方面，美國斯坦福大學的科學家結合功能元件挖掘和優化、合成途徑構建及優化等手段，將一系列細菌、植物、動物以及酵母來源的功能基因導入酵母中，實現了發酵法生產嗎啡等阿片類生物堿的突破。

在抗癌藥物的生產方面，美國麻省理工學院的研究團隊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，并對上游?MEP?功能模塊及下游萜類合成功能模塊進行精確調控，最終獲得了產量達?1?g/L?的紫杉二烯的細胞工廠^[35]。

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

我國在植物天然產物人工合成細胞的研究領域有很好的工作基礎。建立了一整套植物天然產物合成生物學生產的技術體系，包括植物天然產物基因元件挖掘技術、高通量自動化克隆技術、合成途徑創建與精確調控技術、發酵與分離提取技術。也創建了包括?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物的人工合成細胞，詳述如下。