人參皂苷是名貴中藥材人參中的關鍵活性物質(zhì)，其中人參皂苷Rh2（ginsenoside Rh2）在多項研究中被發(fā)現(xiàn)具有誘導癌癥細胞凋亡和抑制癌癥細胞增殖、侵襲和轉移等活性，是有希望能被應用到癌癥預防和治療的天然活性物質(zhì)。但人參藥材中人參皂苷Rh2含量極低，不到干重的0.01%，為其商業(yè)化利用提出了挑戰(zhàn)。

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學重點實驗室發(fā)表在《Cell Discovery》題為Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency的研究論文，利用合成生物學方法高效合成人參皂苷Rh2。
   
該研究團隊在之前的研究中曾開發(fā)過一個酵母細胞工廠，利用該工廠從葡萄糖開始生產(chǎn)人參皂苷Rh2。但由于原人參二醇（PPD）的供應量低，并且關鍵的UDP-糖基轉移酶（UGT）在生物合成途徑的最后一步中表現(xiàn)不佳，人參皂苷Rh2產(chǎn)量對于商業(yè)化需求而言太低。
   
在最新的研究中，針對第一代細胞工廠存在的問題，進一步通過甲羥戊酸通路的模塊化工程和P450表達水平的優(yōu)化構建了PPD生產(chǎn)底盤。
   
進一步，實驗在10 L生物反應器（迪必爾生物工程（上海）有限公司）中對生產(chǎn)PPD的底盤ZW04BY-RS進行了補料分批發(fā)酵。發(fā)酵在144 h內(nèi)完成，最大生物量達到143.0 g/L干細胞重量（dcw）。補料分批發(fā)酵方式可以促進高細胞密度，并已被證明可以增加工程酵母中天然產(chǎn)物的產(chǎn)生（如青蒿酸和丹參酮）。
發(fā)酵過程將約0.3 L菌株ZW04BY-RS或ZWDRH2-10種子接種到10L生物反應器中的2.7 L培養(yǎng)基中發(fā)酵。發(fā)酵溫度設定在30°C，通過加入氫氧化銨將pH控制在5.0。溶解的氧通過改變攪拌速度或通氣量控制在30%以上。保持乙醇<0.5 g/L來控制進料速率。最終，新的酵母底盤細胞在10L補料分批發(fā)酵中可產(chǎn)生11.02 g/L PPD。PPD干重含量為76.9 mg/g dcw（即酵母干重的7.7%），遠高于5年人參根的總皂苷含量（2-3%）。  
基于這種高PPD生產(chǎn)底盤細胞，實驗建立了一系列細胞工廠來生產(chǎn)人參皂苷Rh2，并通過提高C3-OH糖基化效率進行了優(yōu)化。再增加了UGTPg45的拷貝數(shù)，并設計了其啟動子以提高表達水平。
 
進一步，實驗還篩選了來自UGTPg45直接演化的更有效和兼容的UGT生物部件。結合所有策略，最終建立了一個酵母細胞工廠，擁有目前為止最大的人參皂苷Rh2產(chǎn)量（10L分批補料發(fā)酵產(chǎn)量為2.25 g / L）。
   
研究結果為改善酵母細胞工廠以生產(chǎn)植物稀有天然產(chǎn)物，特別是糖基化產(chǎn)物樹立了一個成功的案例。
 
參考文獻：
1. Wang, P., Wei, W., Ye, W. et al. Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency. Cell Discov 5, 5 (2019). https://doi.org/10.1038/s41421-018-0075-5