微生物异源合成植物异喹啉生物碱的新进展

植物异喹啉生物碱(plant isoquinoline alkaloids,PIAs)包括吗啡、可待因、加兰他敏及小糵碱等药用活性产物和其他天然活性产物。从植物中提取异喹啉生物碱,受制于低含量、种植季节及提取方法。人们开始研究利用微生物异源合成和改造天然异喹啉生物碱,从而获得低成本的药用活性物质。异喹啉生物碱合成途径长,反应复杂,为实现微生物异源合成带来了诸多挑战。随着合成途径和酶的解析和鉴定,合成生物学技术为在微生物中合成异喹啉生物碱提供了可能。综述了PIAs合成途径解析的最新进展,以及微生物异源合成PIAs的代谢工程策略,讨论了目前存在的问题和未来的发展趋势。     

P450s在萜类合成方面的合成生物学研究进展 *

细胞色素P450氧化酶能够催化一系列具有区域特异性、立体特异性的化学步骤,并参与许多天然产物如萜类化合物、甾醇以及生物碱的合成。萜类化合物是活性天然产物中的一大类化合物,在医药、香料等领域具有重要价值。萜类化合物的生物合成及合成后修饰需要P450s,但是目前已知P450s较低的催化活性极大地限制了萜类生物合成的效率。因此,迫切需要发掘和改造用于萜类生物合成的高活性P450s,以充分实现其巨大的工业应用潜力。综述了萜类代谢中涉及到的P450s家族以及近年来萜类生物合成中P450s的发掘和工程研究进展,重点介绍了合成生物学扩宽P450s在萜类合成应用中的主要策略,提出进一步加速P450s发掘和P450s工程的可行策略,并针对合成生物学技术为今后P450s在萜类合成中的应用提出建议与展望。     

P450s在萜类合成方面的合成生物学研究进展

细胞色素P450氧化酶能够催化一系列具有区域特异性、立体特异性的化学步骤,并参与许多天然产物如萜类化合物、甾醇以及生物碱的合成。萜类化合物是活性天然产物中的一大类化合物,在医药、香料等领域具有重要价值。萜类化合物的生物合成及合成后修饰需要P450s,但是目前已知P450s较低的催化活性极大地限制了萜类生物合成的效率。因此,迫切需要发掘和改造用于萜类生物合成的高活性P450s,以充分实现其巨大的工业应用潜力。综述了萜类代谢中涉及到的P450s家族以及近年来萜类生物合成中P450s的发掘和工程研究进展,重点介绍了合成生物学扩宽P450s在萜类合成应用中的主要策略,提出进一步加速P450s发掘和P450s工程的可行策略,并针对合成生物学技术为今后P450s在萜类合成中的应用提出建议与展望。     

代谢工程改造解脂耶氏酵母合成植物萜类化合物的研究进展

萜类化合物是一类广泛存在于植物中的天然产物,其在食品、药品和化工等多个领域中均有广泛的用途,市场潜力巨大。因此,开发生产萜类化合物等植物天然产物可再生的微生物资源来补充甚至代替原有稀少和珍贵的植物资源,具有重要的理论意义和潜在的应用价值。解脂耶氏酵母是目前使用最广泛的非常规酵母底盘细胞之一。近年来,利用代谢工程及合成生物学技术在解脂耶氏酵母底盘细胞中重构与优化萜类化合物的合成途径以实现目标代谢产物的高效合成,已经成为一项研究热点。本文系统总结了有关利用解脂耶氏酵母作为底盘细胞异源生产植物萜类化合物的具体实例和最新进展,包括所涉及的宿主菌株、关键酶、代谢途径及改造策略等,并在最后对该领域的未来发展方向进行了展望。     

萜类化合物的合成生物学研究进展

萜类化合物是种类最多的一类天然产物,具有抗癌、抗过敏等多种生物活性,在食品、日化、医疗等领域受到广泛关注,展现了巨大的应用潜力和广阔的市场前景。近年来,研究人员采用功能基因组学和代谢组学技术对不同萜类的合成途径进行了深入研究,为萜类的合成生物学研究提供了大量的数据支撑。目前,已经通过合成生物学方法构建出萜类高产的酵母工程菌株,实现了多种目标产物的高效生产,有效提高了萜类的总体生产水平。因此,采用合成生物学策略合成萜类化合物,有望成为植物源萜类生产的有效技术手段。首先介绍了合成生物学概念,进而总结了植物源萜类的重要功能和应用领域,并简述了不同萜类的合成途径,归纳了现有的萜类生产方式,然后深入探讨了萜类生物合成的设计策略,最后以几种常见的萜类为例,详细论述了不同萜类的合成生物学的研究进展。     

高通量技术在萜类合成酶筛选中的应用

萜类化合物种类繁多,生物活性多样,在食品、药品与化妆品等行业中具有广泛的应用。萜类化合物多来源于植物,然而随着合成生物学的快速发展,相较于传统的天然植物提取与化学合成方法,利用工程微生物进行萜类化合物异源合成的方法显得更为经济与环保。萜类合成酶的催化活性及合成产物的结构特性是萜类化合物异源合成的关键。通过蛋白定向进化与理性设计可以有针对性地优化萜类合成酶的催化性能及产物专一性,但该方案需要一个特异的筛选方法来实现蛋白突变体库的高通量筛选。近年来,一系列高通量筛选方法的建立使得萜类合成酶的筛选变得更加灵敏与高效。本文对近期建立的萜类合成酶高通量筛选方法进行了综述,简要概述了各种筛选方法的基本原理与优缺点,并对高通量筛选技术在萜类合成酶改造中的应用做出了展望。     

酵母人工合成细胞生产植物源天然产物北大核心CSCD

植物源天然产物在医疗保健领域有着广泛的应用。目前,生产植物源天然产物的主要方式为从原植物直接提取,但此法面临诸多问题。基于合成生物学的理念,创建酵母人工细胞工厂发酵生产植物源天然产物是一种新的资源获取途径。本文将从植物源天然产物在药物和营养领域的应用前景,发酵法生产青蒿酸的研发历程,部分萜类、生物碱和长链多不饱和脂肪酸的研究进展,以及该领域相关技术前沿4个方面介绍酵母人工合成细胞生产植物源天然产物的近况。     

代谢改造酿酒酵母合成萜类化合物的研究进展

萜类化合物是一类种类繁多、功能多样的化合物,部分具有抗癌、增强免疫力等作用,具有良好的生物活性,在食品、保健品以及医疗等领域应用广泛。近年来,随着对萜类化合物生物合成途径研究的深入,研究人员采用代谢工程手段构建了多种萜类产物的高产酿酒酵母工程菌株,部分已经达到或者接近工业化生产水平。因此,采用合成生物学相关技术手段合成萜类化合物,有望取代化学合成或者传统的提取模式,成为天然萜类产物的新型生产方法。文中以常见的几种萜类产物为例,介绍并探讨萜类产物的生物合成策略以及合成生物学方面的研究进展。     

萜类合成酶定向进化的新思路

萜类化合物是天然产物中种类最多且主要存在于植物和微生物体内的一类化合物。随着越来越多具有应用价值的萜类化合物被挖掘,其应用前景引起了人们的关注,但由于含量低、提取成本高等缺点,因此制约了萜类化合物的广泛应用。合成生物学的兴起,为异源合成具有应用价值的萜类化合物提供了新思路,使构建定向、高效的微生物细胞工厂成为现实。萜类合成酶常作为萜类化合物异源合成代谢调控的靶酶,但天然的萜类合成酶存在催化效率低、底物专一性差、立体/区域选择性差、稳定性差等问题,严重影响萜类化合物的产量。萜类合成酶的定向进化可以有效地解决上述问题,为实现微生物细胞工厂异源、高效合成萜类化合物奠定基础。本文综述了近年来酶的定向进化技术的最新进展及应用,并提出了萜类合成酶定向进化的策略。     

代谢工程改造酿酒酵母合成植物萜类D-柠檬烯的策略

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物。D-柠檬烯属于单萜类化合物,由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能,已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业。目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的,但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点。而本世纪初合成生物学技术的兴起,为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具,打破了物种间的界限,使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实。构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂,实现微生物发酵法替换传统的植物提取法,具有重要的经济与社会效益。本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就,阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物,利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略。     

天然产物类药物的合成生物学研究

结构复杂多样的天然产物是现代药物的重要组成部分和新药发现的重要源泉。建立在基因工程及代谢工程、合成化学、基因组学、系统生物学等学科基础上的合成生物学研究对于结构复杂的天然产物类药物研究有特殊的意义。核心是通过在发酵友好、高效的微生物中设计、构建目标化合物的生物合成途径,经系统地调控和优化由重组微生物发酵生产来源稀缺的天然产物类药物或前体。该方法是不远的将来解决来源、成本与环境、资源协调问题最好的途径之一,也是解决海洋天然产物或特殊生境微生物药物面临的如何持续供应化合物这一个瓶颈问题的最佳选择。该文将对天然产物类药物合成生物学研究涉及的主要策略和重要进展进行阐述。     

Synthetic biology and metabolic engineering of actinomycetes for natural product discovery

Actinomycetes are one of the most valuable sources of natural products with industrial and medicinal importance. After more than half a century of exploitation, it has become increasingly challenging to find novel natural products with useful properties as the same known compounds are often repeatedly re-discovered when using traditional approaches. Modern genome mining approaches have led to the discovery of new biosynthetic gene clusters, thus indicating that actinomycetes still harbor a huge unexploited potential to produce novel natural products. In recent years, innovative synthetic biology and metabolic engineering tools have greatly accelerated the discovery of new natural products and the engineering of actinomycetes. In the first part of this review, we outline the successful application of metabolic engineering to optimize natural product production, focusing on the use of multi-omics data, genome-scale metabolic models, rational approaches to balance precursor pools, and the engineering of regulatory genes and regulatory elements. In the second part, we summarize the recent advances of synthetic biology for actinomycetal metabolic engineering including cluster assembly, cloning and expression, CRISPR/Cas9 technologies, and chassis strain development for natural product overproduction and discovery. Finally, we describe new advances in reprogramming biosynthetic pathways through polyketide synthase and non-ribosomal peptide synthetase engineering. These new developments are expected to revitalize discovery and development of new natural products with medicinal and other industrial applications.     

芳香类天然产物的合成生物学研究进展

植物芳香类天然产物具有重要的药用价值,可制成具有抗菌、抗炎、镇痛、抗氧化、杀虫驱虫、祛痰止咳、安神镇静和抗肿瘤等药效的医药保健用品。然而,由于植物中芳香类天然产物含量较低并且难以提取和纯化,严重限制了其工业化生产及应用。合成生物学和代谢工程技术的发展为天然产物的生产提供了新的思路,可以利用人工微生物细胞工厂来实现多种芳香类天然产物的高效合成。文中介绍了芳香类天然产物的种类、合成途径和关键酶,综述了近年来国内外通过合成生物学技术合成芳香类天然产物的研究进展,探讨了当前研究所面临的挑战及潜在的解决策略,以期对芳香类天然产物生物合成研究工作提供参考。     

基于CRISPR/Cas系统的天然产物生物合成基因簇克隆和编辑技术

合成生物学和基因组测序技术的快速发展使挖掘和高效合成天然产物进入了一个全新的时代。由于多数原始菌株生长缓慢、难以培养及遗传改造困难等问题,导致天然产物生物合成基因簇的激活和高效表达受到严重制约。基于此,将原始菌株来源的基因簇转移到操作简便、遗传背景清晰的模式宿主中进行异源表达成为天然产物发现和产量提高的一种有效手段。其中,基因簇的克隆与编辑是实现天然产物异源表达的一个主要限速步骤。CRISPR/Cas技术的应用极大地提高了大型基因簇克隆和编辑的效率,有效促进了微生物来源新药的发现。本文针对基于CRISPR/Cas开发的基因簇克隆和编辑技术进行了系统梳理和全面总结,探讨相关技术在天然产物挖掘和高效合成中的应用及其重要意义。     

Microbial synthetic biology for human therapeutics

The emerging field of synthetic biology holds tremendous potential for developing novel drugs to treat various human conditions. The current study discusses the scope of synthetic biology for human therapeutics via microbial approach. In this context, synthetic biology aims at designing, engineering and building new microbial synthetic cells that do not pre-exist in nature as well as re-engineer existing microbes for synthesis of therapeutic products. It is expected that the construction of novel microbial genetic circuitry for human therapeutics will greatly benefit from the data generated by ??omics?? approaches and multidisciplinary nature of synthetic biology. Development of novel antimicrobial drugs and vaccines by engineering microbial systems are a promising area of research in the field of synthetic biology for human theragnostics. Expression of plant based medicinal compounds in the microbial system using synthetic biology tools is another avenue dealt in the present study. Additionally, the study suggest that the traditional medicinal knowledge can do value addition for developing novel drugs in the microbial systems using synthetic biology tools. The presented work envisions the success of synthetic biology for human therapeutics via microbial approach in a holistic manner. Keeping this in view, various legal and socio-ethical concerns emerging from the use of synthetic biology via microbial approach such as patenting, biosafety and biosecurity issues have been touched upon in the later sections.     

Production of isoprenoid pharmaceuticals by engineered microbes

Throughout human history, natural products have been the foundation for the discovery and development of therapeutics used to treat diseases ranging from cardiovascular disease to cancer. Their chemical diversity and complexity have provided structural scaffolds for small-molecule drugs and have consistently served as inspiration for medicinal design. However, the chemical complexity of natural products also presents one of the main roadblocks for production of these pharmaceuticals on an industrial scale. Chemical synthesis of natural products is often difficult and expensive, and isolation from their natural sources is also typically low yielding. Synthetic biology and metabolic engineering offer an alternative approach that is becoming more accessible as the tools for engineering microbes are further developed. By reconstructing heterologous metabolic pathways in genetically tractable host organisms, complex natural products can be produced from inexpensive sugar starting materials through large-scale fermentation processes. In this Perspective, we discuss ongoing research aimed toward the production of terpenoid natural products in genetically engineered Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae.     

Recent advances in natural products exploitation in Streptomyces via synthetic biology

Natural products of microbial origin have proven to be the wellspring of clinically useful compounds for human therapeutics. Streptomyces species are predominant sources of bioactive compounds, most of which serve as potential drug candidates. While the exploitation of natural products has been severely reduced over the past two decades, the growing crisis of evolution and dissemination of drug resistant pathogens have again attracted great interest in this field. The emerging synthetic biology has been heralded as a new bioengineering platform to discover novel bioactive compounds and expand bioactive natural products diversity and production. Herein, we review recent advances in the natural products exploitation of Streptomyces with the applications of synthetic biology from three major aspects, including recently developed synthetic biology tools, natural products biosynthetic pathway engineering strategies as well as chassis host modifications.     

合成生物学与天然产物开发

天然产物依然是临床用药的重要来源。合成生物学的诞生为天然产物的开发提供了全新的机遇,传统的微生物药物、植物天然产物等研究领域都因合成生物学而获得新生。重点介绍了合成生物学在天然产物开发中的应用,包括新化合物及其生物合成元件的筛选,基于理性设计的天然产物异源生物合成,人工底盘细胞的系统优化等。     

Advancing secondary metabolite biosynthesis in yeast with synthetic biology tools

Secondary metabolites are an important source of high-value chemicals, many of which exhibit important pharmacological properties. These valuable natural products are often difficult to synthesize chemically and are commonly isolated through inefficient extractions from natural biological sources. As such, they are increasingly targeted for production by biosynthesis from engineered microorganisms. The budding yeast species Saccharomyces cerevisiae has proven to be a powerful microorganism for heterologous expression of biosynthetic pathways. S. cerevisiae's usefulness as a host organism is owed in large part to the wealth of knowledge accumulated over more than a century of intense scientific study. Yet many challenges are currently faced in engineering yeast strains for the biosynthesis of complex secondary metabolite production. However, synthetic biology is advancing the development of new tools for constructing, controlling, and optimizing complex metabolic pathways in yeast. Here, we review how the coupling between yeast biology and synthetic biology is advancing the use of S. cerevisiae as a microbial host for the construction of secondary metabolic pathways.     

合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品和天然产物能够部分替代石油化工炼制和植物提取。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品和天然产物的能力。一方面综述了合成生物学在构建细胞工厂时的关键技术,包括最优合成途径的设计、合成途径的创建与优化、细胞性能的优化;另一方面,介绍了应用这些技术构建细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物的典型案例。