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植物来源的天然产物多达上百万种，很多都具有重要的生理活性，如人参皂苷、紫杉醇、青蒿素、丹参酮、长春新碱等。1806 年，德国药剂师 Friedrich Sertürner 首次从罂粟中分离出单体吗啡（morphine），此后，越来越多植物中的天然产物被分离、鉴定，成为开发新药的重要来源。 大多数药用天然产物在植物中含量低微，提取分离困难；且由于结构复杂，化学合成的难度也很大。因此，基于合成生物学的理念，通过生物合成途径解析、代谢途径重构和优化，实现这些高价值天然产物的异源生产，是当前的研究热点。 “植物天然产物的生物合成途径通常相对复杂，包含多个关键酶与调控基因。关键酶反应及调控机制是研究天然产物生物合成的核心内容。”薛哲勇教授说道。 薛哲勇在东北林业大学担任植物代谢和生物合成课题组组长，研究内容包括植物甾体皂苷代谢途径解析方法及生物合成研究和植物三萜代谢多样性及关键酶催化机制研究。甾体皂苷和三萜皂苷这两类化合物的途径其实非常相关，它们共用一部分前体物质。
(来源：受访者提供) 据了解，薛哲勇 2005 年博士毕业于山东大学，在中国科学院植物研究所开展博士后研究时，参与了“水稻的三萜途径的关键酶解析和生物学功能研究”，发现了三萜代谢途径能够控制水稻花粉包被的形成，这一重要成果最终发表在 Nature Communications 上。之后在合作导师漆小泉的引荐下前往英国留学，在安.奥斯本（Anne Osbourn）教授（现为英国皇家学会会士和美国科学院院士）的指导下，开展了“燕麦甾体代谢途径解析和功能研究”的工作，这也让他进一步明确了植物代谢与生物合成的研究方向。 2017 年薛哲勇回国时，正赶上第一批国家合成生物学专项，参与了天津大学主持的农药绿色生物合成重点研发，开展了植物源农药的生物合成研究。 “进入东北林业大学工作后，我更加注重活性物质的开发，通过文献的总结，我发现甾体类活性相比三萜皂苷更强，在药物上有更广阔的市场空间。比如，与我们有合作关系的课题组发现了薯蓣皂苷、重楼皂苷重要的新活性，可能在癌症、糖尿病等慢性病的治疗上具有潜在重大价值。”
（来源：受访者提供） 在酶和元件挖掘方面具有优势“我们在参加重点研发项目的时候意识到，项目的进展很大程度上依赖于植物天然产物生物合成途径的解析。目前，在酶的高效元件挖掘、活性改造上，尤其是针对三萜类环化酶，我们团队在以下几个方面具有绝对的优势。”薛哲勇说道。 其一，已开发一种不依赖基因组信息的快速途径解析方法。在途径挖掘方面，大部分人会采用转录组分析方法或者选择诱导子诱导和对照差异分析，但是样品一般仅选择根、茎、叶的几种或者一种组织器官，结果非常低效。“要选择代谢物差异最大的样品去做聚类分析，”他强调道，“我们选择了十种以上不同发育时期和组织器官的植物材料进行转录组分析和代谢组分析，采用 WGCNA 方法进行聚类，成功在一种基因组非常庞大（56G）的药用植物中，高效挖掘了多个关键酶基因。”相关文章以题“Effective prediction of biosynthetic pathway genes involved in bioactive polyphyllins in Paris polyphylla”和“Characterization of three Paris polyphylla glycosyltransferases from different UGT families for steroid functionalization”于 2022 年相继发表在 Communications Biology 和 ACS Synthetic Biology 杂志。
（来源：受访者提供） 其二，发现代谢酶在不同物种、不同亚种之间有很大差异，可以为挖掘高效酶提供丰富的资源。“这也是在过去研究水稻三萜代谢途径时的重要发现。” 其三，酶催化机制的深入研究，定向进化，半理性设计也为高效酶元件挖掘提供重要理论指导。关于酶的突变，薛哲勇提出了新的见解。薛哲勇等人针对三萜环化酶的研究发现，活性中心关键氨基酸改变并不是提高酶活性有效手段，反而破坏酶的催化功能。在 2018 年发表于 New Phytologist 的研究论文“Identification of key amino acid residues determining product specificity of 2, 3-oxdiosqualene cyclase in Oryza species”中，他首次提出了用活性中心周围氨基酸影响活性中心氨基酸残基的侧链构象改变或提高酶的催化活性。这一观点，在 2022 年发表于 PNAS 的研究论文“A conserved mechanism affecting hydride shifting and deprotonation in the synthesis of hopane-type triterpenes as the wax compositions in oat”以及国内外同行的研究中得到验证。 “当然，环化酶的真正的设计还没有实现，可能需要人工智能等新理论新技术的支持，我相信不久可以实现。”他补充道。 合作共赢：酶的创新+生物合成的创新据薛哲勇介绍，团队目前所用的底盘主要是植物底盘——本氏烟草、番茄等。本氏烟草是合成生物学中最常用的植物底盘和模式植物，其叶片生物量大，遗传转化相对成熟，因此很适合用作生物反应器生产天然产物。 植物底盘具有许多天然优势，如光合作用系统、极其丰富的酶库和各种细胞室，以及异源植物宿主在异源蛋白表达方面表现出与宿主植物更相似的微环境。 虽然以植物为底盘具有巨大的应用潜力，但是目前从产业化来看，微生物底盘还是有很多优势。 对于某些天然产物，本氏烟草等植物底盘前体物质含量低，底物补给策略需要较高的成本，不利于规模化生产，而微生物细胞工厂如最常用的真核生物酿酒酵母、毕赤酵母、解脂耶氏酵母等作为天然产物的异源合成宿主有其独特的优势。 “对于不适于植物底盘合成的天然产物，可以通过在酵母等微生物底盘中重建植物中代谢途径、超表达关键限速酶基因以增加底物供应、阻断或抑制竞争代谢途径等，改造菌株代谢网络，进而高效地合成目标产物。” “目前有很多做合成生物学的团队来寻求合作，希望能够结合我们在挖掘酶、元件方面的优势与他们创制的高效的微生物底盘，共同快速推进产业化。我也希望他们能为三萜和甾体类化合物的生物合成构建一些适配的底盘。我们的合作对象之一是厦门大学的袁吉锋老师”。 近日，薛哲勇团队与厦门大学的袁吉锋团队合作在 Natural Product Reports 上发表了题为“Natural products of pentacyclic triterpenoids: from discovery to heterologous biosynthesis” 的综述文章，详细归纳了五环三萜皂苷的生物合成途径，解析了其中的分子机制和关键酶的催化机制，并提出了提高三萜皂苷积累的潜在策略。文章旨在为五环三萜的大量合成、开发和应用提供策略和参考。薛哲勇和袁吉锋共同作为本文的通讯作者。  （来源：受访者提供） 薛哲勇告诉生辉 SynBio，这篇文章只是他们的合作成果之一，还有一些成果尚未公布。针对自己团队的植物底盘，薛哲勇也正在努力向产业化方向推进。 力争5年内实现生物农药和抗病作物的产业化应用植物天然产物和天然药物直接相关，尽快地将科研成果转化为应用，一直是薛哲勇想要做的事。团队产业化的方向主要是药物和农业，农业方面包括生物农药和抗病、抗虫的作物品种。 薛哲勇表示，目前团队已解析禾本科燕麦和百合科重楼三萜和甾体类化合物的生物合成途径。在实验室能够实现藜芦碱、重楼皂苷等的生物合成，产量能够达到 5~8 毫克每克。重楼皂苷的生物合成是比较有产业化前景的。 他还透露，“目前团队利用在三萜环化酶上建立的优势，利用植物烟草体系产生的三萜类标准品，产量能达到 3% 左右，已实现小规模的产业化，成本价格能够降到约 100 元每毫克。” “预计未来 3~5 年将实现生物农药和抗病、抗虫的作物品种产业化产品的开发，而药物需要的周期就要更长了。” |
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