生物反应器助力高效合成植物源三七素
2022-11-04 来源:本站 点击次数:1780
三七素是一种存在于三七、山黧豆、人参等植物中的天然活性成分。三七素具有抗炎、降血糖、神经保护和减轻糖尿病肾病损伤等作用。可以作为天然的止血剂添加在牙膏、云南白药中，甚至应用于外科手术。但三七素的生物合成途径尚不明确，从天然植物中直接提取不仅在产率上存在挑战，还存在成本高的挑战。
北京化工大学袁其朋教授、孙新晓教授的研究成果Biosynthesis of plant hemostatic dencichine in Escherichia coli，利用逆向生物合成方法设计了三七素从头生物合成途径，这项研究不仅为三七素工业化生产铺平了道路，并且为如何利用合成生物学搭建非天然途径生产目标化学品提供了一个案例。
大肠杆菌合成三七素途径
有研究证实了三七素是由L-2，3-二氨基丙酸（L-DAP）和草酰辅酶A经酰基转移酶（BAHD）缩合而成，但这两种直接前体的合成途径尚不清晰，使得微生物异源生产三七素具有一定挑战。通过筛选有效的异源酶，实现了两种直接前体L-2，3-二氨基丙酸和草酰辅酶A的生物合成。
优化大肠杆菌三七素合成的工程策略
针对于目前报道的唯一一种植物源三七素合酶BAHD3溶解性差的问题，研究者将28个同义稀有密码子引入密码子优化后的BAHD3中以降低其翻译速率，从而显著提高了其溶解度。这一方法在消除细菌中含有真核酶的生物合成途径瓶颈方面具有潜在的应用。
解决了酶相关的问题之后实验将合成途径进行整合，并通过培养实验评估菌株转化能力。培养实验将L-DAP、乙醛酸/草酰乙酸与IPTG一起添加，菌株BW10补料速率为1 g/L，其他菌株为0.5 g/L。将氨苄西林、卡那霉素和氯霉素以浓度100、50和34 μg/mL添加到培养基中。定期取样分析细胞生长（OD600）和产品积累（HPLC）。底物为草酰乙酸和L-DAP时，培养48h后菌株BW5产生21.7±3.3 mg/L三七素。尽管成功得到了三七素，但其滴度仍然较低。
培养实验评估菌株转化能力
通过耦联乙醛酸氧化途径和草酰乙酸裂解途径，并对代谢网络进行了系统设计，三七素滴度达到1.29 g/L。
三七素的生物全合成
该项研究为进一步探索、优化和大规模生产三七素铺平了道路，并表明提高菌株性能将实现从传统的基于植物的生产过程过渡到基于微生物发酵的过程。
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参考文献：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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