合成生物技术生产甾体激素中间体的研究展望

甾体类药物是销售额仅次于抗生素的世界第二大类药物,不同的甾体药物分子结构均由甾体激素中间体衍生而来。甾体激素中间体的传统生产方法包括植物提取皂素法和化学全合成法,其对环境有害,反应产物结构不唯一且成本较高,不利于工业化生产。目前主要的生产工艺是利用微生物对特殊原料进行转化的半合成法,但会遇到微生物酶转化率低、发酵周期长等问题。合成生物学的出现为构建利用糖为唯一碳源生产甾体激素中间体的人工细胞提供了理论上的可行性和可靠的技术支持。重点综述了合成生物技术在甾体激素中间体生产中的应用,以有利于工业发酵的酿酒酵母、分枝杆菌等为底盘细胞,通过引入外源合成功能模块,实现胆甾醇、雄烯二酮等甾体激素中间体的生物合成,并对合成生物技术在医药生产方式转变中的应用进行了展望,以期推动甾体类药物生物制造技术的进步。     

合成芳香族化合物的酵母底盘改造策略*

芳香族化合物种类丰富,在多个行业具有广泛的用途,需求量大。通过构建微生物细胞工厂合成芳香族化合物具有独特的优势和工业化应用前景,其中酵母底盘因其清晰的遗传背景、完善的基因操作工具以及成熟的工业发酵体系等优势,常被用于构建细胞工厂。目前改造酵母底盘生产芳香族化合物的研究取得了一系列进展,并针对关键问题提出了一些可行的解决策略。针对酵母合成芳香族化合物的策略与挑战,从芳香族化合物合成路径改造、多样化碳源利用及转运系统改造、基因组多靶点改造、特殊酵母底盘及混菌系统构建、合成生物学高通量技术的应用这五个方面进行系统地梳理和阐述,为生产芳香族化合物的酵母底盘构建与改造提供思路。     

合成型酿酒酵母染色体重排技术及应用

人工合成酿酒酵母染色体中引入大量lox Psym位点构成的SCRa Mb LE系统,在Cre重组酶的诱导下可以发生删除、反转、移位、复制等基因组重排,实现基因组的快速进化,为染色体结构变异和功能分析提供全新的研究平台。对合成型酵母染色体重排技术的最新研究和应用进行综述,该技术有望促进酿酒酵母在化学品和医药领域的产业化应用。     

7-脱氢胆甾醇合成功能模块与底盘细胞的适配性

利用合成生物技术生产7-脱氢胆甾醇的挑战性在于获得合成功能模块与底盘细胞的适配关系。从更换不同调控强度的启动子和不同改造的酵母底盘两方面,对二者的适配性进行研究,以增加7-脱氢胆甾醇产量:过表达酵母固醇合成途径中的内源基因tHMGR和ERG1,敲除非必需基因ERG6和ERG5以抑制酵母固醇向麦角固醇的转化,得到改造后的酵母底盘SyBE_000956;利用由强到弱依次为TDH3p、PGK1p和TDH1p的启动子,引入人源C-24还原酶基因DHCR24,构建3种强度的外源功能模块,并分别导入3种底盘中,得到9种人工合成细胞。结果表明,TDH3p调控的功能模块与底盘细胞SyBE_000956具备较好的适配性,实现7-脱氢胆甾醇产量的提高。为后续的适配性研究提供了理性设计的依据。     

合成8二甲基异戊烯基柚皮素的人工酿酒酵母菌株构建

8二甲基异戊烯基柚皮素(8DN)作为生产黄酮类药物淫羊藿苷的重要前体,在医药合成领域具有重大应用潜力。由于其合成路径及相关基因的复杂性,目前主要通过饲喂8DN的直接前体(柚皮素、异黄腐酚等)的方式合成8DN,而在生物体内全合成8DN的研究工作还未见报道。为了实现8DN在酿酒酵母体内的生物全合成,通过组合筛选8DN前体物柚皮素合成所需的多种外源基因(TAL、4CL、CHS、CHI),获得30株柚皮素生产菌,发现不同来源的基因组合使柚皮素产量的具有明显差异(0.37~22.33mg/L)。并且利用Delta位点将较优的基因组合整合至酵母基因组,实现了稳定的柚皮素高产菌株(Sy BE_Sc02050031)构建。在此基础上进一步导入带有苦参来源的异戊烯基转移酶基因(N8DT)多拷贝质粒,实现8DN合成的完整反应过程,8DN的摇瓶发酵产量达到36.7μg/L。另外,通过关键限速酶N8DT的序列优化策略,发现截断定位信号肽序列的N8DT明显提高了从柚皮素到8DN这一关键反应的催化效果,8DN的产量提高到52.6μg/L(144.2%)。首次在酿酒酵母中成功构建高产8DN的生物全合成路径,为在微生物体内合成其他黄酮类天然产物提供了参考,具有重要的指导意义。     

产对香豆酸酿酒酵母菌株的构建及优化

对香豆酸(p-coumaric acid)作为苯丙素类物质、芪类物质及黄酮类物质的重要前体化合物,在生物医药、化妆品及食品工业中均有广泛的应用价值。以酿酒酵母作为底盘菌株,利用合成生物学原理构建一株高产对香豆酸的人工酵母细胞。通过对比不同拷贝数的酪氨酸解氨酶(tyrosine ammonia lyase)合成的对香豆酸产量,发现随着基因拷贝数的增加对香豆酸的产量也相应提高;同时对酪氨酸的负反馈调控相关的蛋白质进行氨基酸定点突变得到Aro4pK229L和Aro7pG141S,利用delta位点将突变后的基因整合至酵母基因组,并挑取24株构建成功的酵母细胞进行发酵验证,发现菌株最高产量与最低产量相差28.87mg/L;为了进一步增加对香豆酸的代谢通量,对生成芳香醇类物质的旁路基因ARO10和PDC5进行敲除,发现同时敲除两个基因的菌株对香豆酸的产量最高,是敲除前产量的2.05倍(从42.71mg/L到87.56mg/L)。此外,通过设计前体酪氨酸的梯度添加实验,发现当添加1mmol/L的酪氨酸时,对香豆酸产量达到峰值(174.57±0.30)mg/L,相较于未添加时提高了将近1倍。通过运用合成生物学原理在酿酒酵母中实现了对香豆酸的高产,为后续的芪类化合物和黄酮类化合物生物合成奠定了基础。     

酿酒酵母染色体设计与合成研究进展

随着合成生物学的蓬勃发展,基因组学的研究正在由读取基因组信息拓展到以编写基因组信息为主的合成基因组学时代。2009年,由Jef D. Boeke教授提出的人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)旨在合成世界上首个真核生物基因组。在美、中、英、法、澳大利亚、新加坡等多国科学家的努力下,目前已经完成1/3的酵母染色体的人工合成。本文从合成基因组学领域的发展历程出发,介绍了Sc2.0计划中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)染色体设计与合成的最新进展,包括酿酒酵母9号染色体右臂、3号染色体、2号染色体、5号染色体、6号染色体、10号染色体和12号染色体的设计与合成过程,阐述了其各自的合成策略以及生物学意义,以期为合成基因组学的深入开展提供借鉴与参考。