人参皂苷是名贵中药材人参中的关键活性物质，其中人参皂苷Rh2（ginsenoside Rh2）在多项研究中被发现具有诱导癌症细胞凋亡和抑制癌症细胞增殖、侵袭和转移等活性，是有希望能被应用到癌症预防和治疗的天然活性物质。但人参药材中人参皂苷Rh2含量极低，不到干重的0.01%，为其商业化利用提出了挑战。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室发表在《Cell Discovery》题为Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency的研究论文，利用合成生物学方法高效合成人参皂苷Rh2。
   
该研究团队在之前的研究中曾开发过一个酵母细胞工厂，利用该工厂从葡萄糖开始生产人参皂苷Rh2。但由于原人参二醇（PPD）的供应量低，并且关键的UDP-糖基转移酶（UGT）在生物合成途径的最后一步中表现不佳，人参皂苷Rh2产量对于商业化需求而言太低。
   
在最新的研究中，针对第一代细胞工厂存在的问题，进一步通过甲羟戊酸通路的模块化工程和P450表达水平的优化构建了PPD生产底盘。
   
进一步，实验在10 L生物反应器（迪必尔生物工程（上海）有限公司）中对生产PPD的底盘ZW04BY-RS进行了补料分批发酵。发酵在144 h内完成，最大生物量达到143.0 g/L干细胞重量（dcw）。补料分批发酵方式可以促进高细胞密度，并已被证明可以增加工程酵母中天然产物的产生（如青蒿酸和丹参酮）。
发酵过程将约0.3 L菌株ZW04BY-RS或ZWDRH2-10种子接种到10L生物反应器中的2.7 L培养基中发酵。发酵温度设定在30°C，通过加入氢氧化铵将pH控制在5.0。溶解的氧通过改变搅拌速度或通气量控制在30%以上。保持乙醇<0.5 g/L来控制进料速率。最终，新的酵母底盘细胞在10L补料分批发酵中可产生11.02 g/L PPD。PPD干重含量为76.9 mg/g dcw（即酵母干重的7.7%），远高于5年人参根的总皂苷含量（2-3%）。  
基于这种高PPD生产底盘细胞，实验建立了一系列细胞工厂来生产人参皂苷Rh2，并通过提高C3-OH糖基化效率进行了优化。再增加了UGTPg45的拷贝数，并设计了其启动子以提高表达水平。
 
进一步，实验还筛选了来自UGTPg45直接演化的更有效和兼容的UGT生物部件。结合所有策略，最终建立了一个酵母细胞工厂，拥有目前为止最大的人参皂苷Rh2产量（10L分批补料发酵产量为2.25 g / L）。
   
研究结果为改善酵母细胞工厂以生产植物稀有天然产物，特别是糖基化产物树立了一个成功的案例。
 
参考文献：
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