【原】【LorMe周刊】植物天然次级代谢产物的微生物发酵工艺

作者：任鹏，南京农业大学博士在读，主要研究根际资源与微生物互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍微生物发酵过程中可能产生的几类重要PNPs的最新研究进展，探讨了制约产量提高的因素以及实验室规模成果在工业生产中的应用，原文于2013年发表在《Current Opinion in Biotechnology》上。

导读

‍植物天然产物（PNPs）是自然界中一类重要的次级代谢产物，可从植物中提取获得，如萜类、苯丙素类、生物碱等等。研究发现，许多PNPs具有较强且特殊的生理活性，因此被广泛应用于医药、化妆、化工等多个领域，但随着需求的增加，许多珍贵植物的生存面临巨大威胁。微生物发酵工程是获取次级代谢产物的另一重要手段，且具有经济效益高、环境友好等特点，是代替植物提取获得PNPs的重要研究方向。本文章综述了微生物发酵过程中可能产生的几类重要PNPs的相关研究，探讨了制约产量提高的因素以及实验室规模成果在工业生产中的应用。

主要结果

一、萜类

萜类化合物是药用植物中的有效成分，根据其分子中异戊二烯单元的数量可分为半萜、单萜、倍半萜、二萜等，其中研究较多的包括青蒿素（倍半萜）、紫杉醇（二萜）以及番茄红素（四萜）。以青蒿素为例，研究人员在之前系统地提高青蒿素产量的基础上，发现了一种植物脱氢酶和第二种细胞色素，构建了一种高效的生物合成途径来合成青蒿素酸（图1）。大多数改善萜烯生物合成的策略便是在青蒿素发酵工程基础上衍生的，其主要包括以下几个方面：1）甲羟戊酸（MVA）和甲基-赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径的结合；2）Hmg1p 的截断表达；3）Hmg2p的调节；4）异戊二烯对生物质的消耗缩减；5）异质通路模块化工程的建立。目前萜类化合物的生物合成也存在着发展瓶颈，除青蒿素及其前体外，其他大部分萜类化合物的收率仍然很低，离工业应用还很遥远，大多数单萜的情况更糟，原因可能是大多数微生物对这些单萜的耐受性较低。

图1 萜类物质的生物合成途径

二、苯丙素类

苯丙素是天然存在的一类由苯环与3个直链碳连接构成的化合物，可进一步分为香豆素类、木脂素类、二苯乙烯类等（图2）。以预防心血管疾病的药物白藜芦醇为例，研究人员在2003年首先通过引入来自杂交杨树的4-香豆酸：辅酶a连接酶（4CL）和来自葡萄藤的芪合酶（STS），以对香豆酸为前体物质在酿酒酵母中合成了1.45 mg/L的白藜芦醇。在之后的研究中，科学家们通过宿主微生物、启动子和相关合成酶的筛选并辅以其他手段等，最终使白藜芦醇产量提高到2.31 g/L。苯丙素是一类优秀的天然次级代谢产物，且价格昂贵，其关键在于苯丙素的合成前体大多是水溶性低且价格高的肉桂酸或香豆酸，因此如何利用廉价的碳源如葡萄糖实现苯丙素的生产是需要解决的问题之一。

图2 苯丙素的生物合成途径

三、生物碱

生物碱是一类含氮的碱性有机化合物，按照结构可以分为有机胺类生物碱、异喹啉类生物碱、吡啶类生物碱、吲哚类生物碱以及莨菪烷类生物碱等。与苯丙烷类和萜类不同，生物碱具有几种完全不同的途径，这些途径来源于初级代谢的前体物质。尽管生物碱类物质具有强烈的生物活性受科学家们青睐，但相比于其他PNPs，生物碱的微生物合成仍然处于起步阶段。以抗肿瘤药长春新碱（吲哚类生物碱）和镇痛药物吗啡（异喹啉类生物碱）生物合成为例，这些物质需要昂贵的化学合成物质作为前体，难以在工业上大规模应用。为此科学家们做出了大量努力，如引入一系列用于生物碱合成的酶，但所合成的生物碱的种类和产量都远不如其他两组PNPs。究其原因，一方面是由于生物碱在其植物体内的生物合成途径具有多样性和复杂性，其次是生物碱具有潜在毒性或其他未知的生物活性可能会中断宿主微生物的初级代谢进而影响整体的合成。

总结

基于微生物发酵工艺合成PNPs具有广阔的应用前景，纵观PNPs的微生物合成，基础是微生物层面代谢通路的构建，核心是代谢通路的优化，而关键在于代谢途径优化的手段和方式。该文章结合相关典例对PNPs的微生物合成进行了叙述，并对优化发酵过程给出了相关建议，包括但不限于：鉴定和表征参与特定 PNPs 生物合成的酶，修饰关键酶以提高其在宿主微生物中的相容性，增强宿主微生物对异源PNPs的耐受性等等。

论文信息

原名：Novel fermentation processes for manufacturing plant natural products

译名：植物天然次级代谢产物的微生物发酵工艺

期刊：Current Opinion in Biotechnology

发表时间：2013.09

通讯作者：Jingwen Zhou

通讯作者单位：江南大学生物技术学院