生物反應(yīng)器助力高效合成植物源三七素

瀏覽次數(shù)：969　發(fā)布日期：2022-11-4　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

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(hù)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(jì)了三七素從頭生物合成途徑，這項(xiàng)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(biāo)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(shí)了三七素是由L-2，3-二氨基丙酸（L-DAP）和草酰輔酶A經(jīng)酰基轉(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(shí)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(bào)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(xì)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(shí)驗(yàn)將合成途徑進(jìn)行整合，并通過培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)評估菌株轉(zhuǎn)化能力。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)將L-DAP、乙醛酸/草酰乙酸與IPTG一起添加，菌株BW10補(bǔ)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(xì)胞生長（OD600）和產(chǎn)品積累（HPLC）。底物為草酰乙酸和L-DAP時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，三七素滴度達(dá)到1.29 g/L。

三七素的生物全合成

該項(xiàng)研究為進(jìn)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(shí)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(xiàn)：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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