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。     

真菌甾体化合物的研究进展

胆甾醇、麦角甾醇和豆甾醇及其衍生物是真菌中的主要甾体化合物,具有重要的生理功能和生物学活性.本文简要综述了真菌中甾体类化合物的种类、分布、生物合成和应用等方面的研究进展.     

系列甾体药物关键中间体转化菌种构建及智能化生产应用

甾体激素药物是仅次于抗生素的第二大类药物,当前甾体工业的初始原料已经由从黄姜等植物中提取的薯蓣皂素转向植物甾醇。作为食用油工业的副产物,植物甾醇来源广泛,价格低廉,经微生物转化后可生成雄烯二酮(androstenedione, AD)、雄二烯二酮(androstadiendione, ADD)、9α-羟基-雄烯二酮(9α-hydroxy-androstenedione, 9α-OH-AD)等一系列化合物,这些关键中间体可用于甾体药物合成。甾体代谢途径长、副产物多、调控复杂,传统的微生物筛选、诱变育种方法和油水两相转化体系已经不适于当前的工业生产需求。文中以笔者团队与浙江仙居君业药业有限公司联合开发的新一代甾体药物关键中间体的转化菌株构建和智能化生产为例,综述甾体药物中间体菌种改造和转化工艺开发及其在产业化应用中的进展。未来,随着合成生物学技术的发展,有望开发出更适于甾体药物合成的新一代中间体;乃至以葡萄糖等为原料,使用微生物直接合成甾体原料药。这些生物技术(biotechnology, BT)创建的新一代菌株在基于信息化、智能化技术(intelligent technology, IT)建设的现代工厂中的应用,将会形成更高效、更绿色的生产方式,并产生显著的社会效益和经济价值。     

微生物发酵降解植物甾醇侧链生产17-酮甾体研究进展

微生物发酵降解植物甾醇侧链,生产雄甾-4-烯-3,17-二酮(AD),雄甾-1,4-二烯-3,17-二酮(ADD),和9α-羟基-AD甾体药物中间体的工业生物技术对改变制造甾体激素药物半合成原料薯蓣皂素短缺的现状,实现甾体激素药物半合成原料多元化,合理利用我国甾体植物资源具有重要意义。重点评述了近期微生物法断植物甾醇侧链制AD、ADD和9α-羟基-AD的研究现状,内容包括:1)微生物菌种选育;2)菌种相关的细胞生理,酶学性质和生物催化过程;3)相关酶的细胞定位及生物反应器;4)发酵工艺选择和甾醇原料的合理利用。     

甾体皂甙的生物合成

近年来,人们分离鉴定了许多结构新颖的皂甙,阐明了它们的结构及生物活性,并对甾体皂甙的生物合成途径进行了较为深入的研究。异戊烯二磷酸在香叶二磷酸合成酶、法呢二磷酸合成酶、鲨烯合成酶和鲨烯环氧酶催化下合成2,3-环氧化鲨烯,再经环氧化鲨烯环化酶催化下形成三萜进而转化成甾醇,甾醇经羟化酶、糖基转移酶和β-糖苷酶的修饰,形成各种类型的甾体皂甙。本文重点介绍了甾体皂甙生物合成中所需要的关键酶,特别是以往研究较少的糖酶,主要为3-O-糖基转移酶,26-O-β-糖苷酶,并对甾体皂甙生物合成的前景进行了展望。     

植物甾醇微生物转化制备甾体药物中间体的研究进展*

微生物选择性降解植物甾醇侧链获取甾体药物合成的重要中间体雄甾-4-烯-3,17-二酮(4-AD)和雄甾-1,4-二烯-3,17-二酮(ADD)对于我国制药行业具有重要意义。现存文献资料对该领域缺乏全面系统的分析总结,从甾醇侧链微生物转化的机理、途径及其收率的影响因素等几个方面综述了近几年的研究进展,并对此领域的发展趋势进行了展望。     

植物甾醇微生物转化制备甾体药物中间体的研究进展

微生物选择性降解植物甾醇侧链获取甾体药物合成的重要中间体雄甾-4-烯-3,17-二酮（4-AD）和雄甾-1,4-二烯-3,17-二酮（ADD）对于我国制药行业具有重要意义。现存文献资料对该领域缺乏全面系统的分析总结,从甾醇侧链微生物转化的机理、途径及其收率的影响因素等几个方面综述了近几年的研究进展,并对此领域的发展趋势进行了展望。     

工业分枝杆菌植物甾醇转化途径及菌种改造研究进展

相比于传统的化学转化法,微生物转化法在甾体药物的生产中显示出了明显的优势.利用分枝杆菌降解植物甾醇可以生成一系列甾体药物的中间体,这极大地方便了甾体药物的生产.通过基因工程、分子生物学和结构生物学等学科的技术手段,人们对甾醇转化菌株进行了深入的探索和改造.本文对工业分枝杆菌植物甾醇转化途径及菌种改造的研究进展进行了综述...     

化学品生物合成专刊序言

以酶及微生物细胞催化剂结合工程学方法将廉价、废弃原料进行高效生物转化可实现化学品的可持续生产。近年来,合成生物学、系统生物学及酶工程等技术的快速发展大大推动了化学品的可持续生物制造,既实现了多种新型化学品的生物合成,又显著提高化学品的生物合成效率。为展示化学品生物合成的最新进展并促进绿色生物制造的发展,《生物工程学报》特组织出版化学品生物合成专刊,从酶催化与生物合成机制、微生物细胞合成、一碳生物炼制以及关键核心技术等方面,介绍化学品生物合成的最新前沿、挑战以及潜在解决方案。     

大肠杆菌利用合成生物学策略生产聚羟基脂肪酸酯的研究进展

合成生物学作为近年来发展迅速的一门交叉学科,为微生物的生物合成提供了强有力的平台工具。微生物细胞工厂可以合成一系列不同种类的聚羟基脂肪酸酯(PHA),而大肠杆菌作为最常用的底盘,正不断运用合成生物学的策略发掘PHA的多样性并降低成本、提高产量。本文中,笔者综述了大肠杆菌利用合成生物学策略生产生物基材料PHA的研究进展,并对其开发与应用前景进行了展望。     

吡咯喹啉醌生物合成研究进展

吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)是一种多肽修饰类天然产物,是继烟酰胺和核黄素之后第三类辅酶,具有抗氧化、抗衰老、提高免疫力等重要生理功能,在医药、保健等领域具有重要价值.目前,PQQ的大规模制备仍然存在诸多问题,限制了PQQ的广泛应用.当前迫切需求低成本的合成方式,以充分实现其广阔...     

非天然氨基酸细胞工厂的构建与应用

非天然氨基酸在医药、农药、材料等领域得到广泛应用,其绿色、高效合成越来越受到关注.近年来,随着合成生物学的快速发展,微生物细胞工厂为非天然氨基酸的制造提供了重要手段.文中从合成途径的重构、关键酶的设计改造及与前体的协同调控、竞争性旁路途径的敲除、辅因子循环系统的构建等方面介绍了 一系列非天然氨基酸细胞工厂构建与应用的研...     

Engineering modular ester fermentative pathways in Escherichia coli

Sensation profiles are observed all around us and are made up of many different molecules, such as esters. These profiles can be mimicked in everyday items for their uses in foods, beverages, cosmetics, perfumes, solvents, and biofuels. Here, we developed a systematic ‘natural’ way to derive these products via fermentative biosynthesis. Each ester fermentative pathway was designed as an exchangeable ester production module for generating two precursors− alcohols and acyl-CoAs that were condensed by an alcohol acyltransferase to produce a combinatorial library of unique esters. As a proof-of-principle, we coupled these ester modules with an engineered, modular, Escherichia coli chassis in a plug-and-play fashion to create microbial cell factories for enhanced anaerobic production of a butyrate ester library. We demonstrated tight coupling between the modular chassis and ester modules for enhanced product biosynthesis, an engineered phenotype useful for directed metabolic pathway evolution. Compared to the wildtype, the engineered cell factories yielded up to 48 fold increase in butyrate ester production from glucose.     

Hormonal regulation of testicular steroid and cholesterol homeostasis

The male sex steroid, testosterone (T), is synthesized from cholesterol in the testicular Leydig cell under control of the pituitary gonadotropin LH. Unlike most cells that use cholesterol primarily for membrane synthesis, steroidogenic cells have additional requirements for cholesterol, because it is the essential precursor for all steroid hormones. Little is known about how Leydig cells satisfy their specialized cholesterol requirements for steroid synthesis. We show that in mice with a unique hypomorphic androgen mutation, which disrupts the feedback loop governing T synthesis, that genes involved in cholesterol biosynthesis/uptake and steroid biosynthesis are up-regulated. We identify LH as the central regulatory molecule that controls both steroidogenesis and Leydig cell cholesterol homeostasis in vivo. In addition to the primary defect caused by high levels of LH, absence of T signaling exacerbates the lipid homeostasis defect in Leydig cells by eliminating a short feedback loop. We show that T signaling can affect the synthesis of steroids and modulates the expression of genes involved in de novo cholesterol synthesis. Surprisingly, accumulation of active sterol response element-binding protein 2 is not required for up-regulation of genes involved in cholesterol biosynthesis and uptake in Leydig cells.     

Intramitochondrial cholesterol transfer

Cholesterol serves as the initial substrate for all steroid hormones synthesized in the body regardless of the steroidogenic tissue or final steroid produced. The first steroid formed in the steroidogenic pathway is pregnenolone which is formed by the excision of a six carbon unit from cholesterol by the cytochrome P450 side chain cleavage enzyme system which is located in the inner mitochondrial membrane. It has long been known that the regulated biosynthesis of steroids is controlled by a cycloheximide sensitive factor whose function is to transfer cholesterol from the outer to the inner mitochondrial membrane, thus, the identity of this factor is of great importance. A candidate for the regulatory factor is the mitochondrial protein, the steroidogenic acute regulatory (StAR) protein. Cloning and sequencing of the StAR cDNA indicated that it was a novel protein, and transient transfections with the cDNA for the StAR protein resulted in increased steroid production in the absence of stimulation. Mutations in the StAR gene cause the potentially lethal disease congenital lipoid adrenal hyperplasia, a condition in which cholesterol transfer to the cytochrome P450 side chain cleavage enzyme, P450scc, is blocked, filling the cell with cholesterol and cholesterol esters. StAR knockout mice have a phenotype which is essentially identical to the human condition. The cholesterol transferring activity of StAR has been shown to reside in the C-terminal part of the molecule and a protein sharing homology with a region in the C-terminus of StAR has been shown to display cholesterol transferring capacity. Recent evidence has indicated that StAR can act as a sterol transfer protein and it is perhaps this characteristic which allows it to mobilize cholesterol to the inner mitochondrial membrane. However, while it appears that StAR is the acute regulator of steroid biosynthesis via its cholesterol transferring activity, its mechanism of action remains unknown.     

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。     

细胞寿命在大肠杆菌细胞工厂构建中的应用

微生物细胞工厂以可再生资源为原料,为工业化学品的可持续生产提供了一种有前景的替代方案。然而,不适的外界环境显著影响了微生物细胞的存活率,降低了微生物细胞工厂的生产性能。通过延长微生物细胞的时序寿命,可以显著提升微生物细胞工厂的生产性能。首先,基于存活率的变化建立了细胞时序寿命和半时序寿命的评价体系;然后,发现半胱氨酸、肌肽、氨基胍和氨基葡萄糖抗衰老药物可以使大肠杆菌Escherichia coli细胞的时序寿命分别延长80%、80%、50%和120%;最后,延长E. coli时序寿命可以显著改善E. coli细胞工厂的生产性能,可以用于改善具有本源代谢合成路径的E. coli细胞工厂的生产性能,使乳酸和丙酮酸的得率分别提升30.0%和25.0%,也可以用于改善具有异源代谢合成路径的E. coli细胞工厂的生产性能,使苹果酸的得率提升27.0%。这些研究结果表明延长E. coli细胞寿命提供了一种潜在的改善细胞工厂的生产性能的方法。     

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。