生物反應(yīng)器助力高效合成植物源三七素
三七素是一種存在于三七、山黧豆、人參等植物中的天然活性成分。三七素具有抗炎、降血糖、神經(jīng)保護和減輕糖尿病腎病損傷等作用�？梢宰鳛樘烊坏闹寡獎┨砑釉谘栏�、云南白藥中，甚至應(yīng)用于外科手術(shù)。但三七素的生物合成途徑尚不明確，從天然植物中直接提取不僅在產(chǎn)率上存在挑戰(zhàn)，還存在成本高的挑戰(zhàn)。
北京化工大學(xué)袁其朋教授、孫新曉教授的研究成果Biosynthesis of plant hemostatic dencichine in Escherichia coli，利用逆向生物合成方法設(shè)計了三七素從頭生物合成途徑，這項研究不僅為三七素工業(yè)化生產(chǎn)鋪平了道路，并且為如何利用合成生物學(xué)搭建非天然途徑生產(chǎn)目標化學(xué)品提供了一個案例。
大腸桿菌合成三七素途徑
有研究證實了三七素是由L-2，3-二氨基丙酸（L-DAP）和草酰輔酶A經(jīng)�；D(zhuǎn)移酶（BAHD）縮合而成，但這兩種直接前體的合成途徑尚不清晰，使得微生物異源生產(chǎn)三七素具有一定挑戰(zhàn)。通過篩選有效的異源酶，實現(xiàn)了兩種直接前體L-2，3-二氨基丙酸和草酰輔酶A的生物合成。
優(yōu)化大腸桿菌三七素合成的工程策略
針對于目前報道的唯一一種植物源三七素合酶BAHD3溶解性差的問題，研究者將28個同義稀有密碼子引入密碼子優(yōu)化后的BAHD3中以降低其翻譯速率，從而顯著提高了其溶解度。這一方法在消除細菌中含有真核酶的生物合成途徑瓶頸方面具有潛在的應(yīng)用。
解決了酶相關(guān)的問題之后實驗將合成途徑進行整合，并通過培養(yǎng)實驗評估菌株轉(zhuǎn)化能力。培養(yǎng)實驗將L-DAP、乙醛酸/草酰乙酸與IPTG一起添加，菌株BW10補料速率為1 g/L，其他菌株為0.5 g/L。將氨芐西林、卡那霉素和氯霉素以濃度100、50和34 μg/mL添加到培養(yǎng)基中。定期取樣分析細胞生長（OD600）和產(chǎn)品積累（HPLC）。底物為草酰乙酸和L-DAP時，培養(yǎng)48h后菌株BW5產(chǎn)生21.7±3.3 mg/L三七素。盡管成功得到了三七素，但其滴度仍然較低。
培養(yǎng)實驗評估菌株轉(zhuǎn)化能力
通過耦聯(lián)乙醛酸氧化途徑和草酰乙酸裂解途徑，并對代謝網(wǎng)絡(luò)進行了系統(tǒng)設(shè)計，三七素滴度達到1.29 g/L。
三七素的生物全合成
該項研究為進一步探索、優(yōu)化和大規(guī)模生產(chǎn)三七素鋪平了道路，并表明提高菌株性能將實現(xiàn)從傳統(tǒng)的基于植物的生產(chǎn)過程過渡到基于微生物發(fā)酵的過程。
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參考文獻：Li, W., Zhou, Z., Li, X. et al. Biosynthesis of plant hemostatic dencichine in Escherichia coli. Nat Commun 13, 5492 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33255-3
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