中藥功效成分合成生物學(xué)研究進(jìn)展

蘇新堯薛建平　王彩霞

[摘要] 中藥功效成分是中藥發(fā)揮防病治病等重要作用的主要活性物質(zhì)，大多數(shù)的中藥功效成分都來自藥用生物次級代謝產(chǎn)物衍生物。目前中藥功效成分的獲取主要是從源生物中直接提取，提取成本高，收益極低。中藥微生物合成生物學(xué)，通過在微生物中導(dǎo)入目標(biāo)產(chǎn)物的合成途徑，利用微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)目標(biāo)成分，是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的中藥活性物質(zhì)獲取途徑。通過異源宿主發(fā)酵大規(guī)模產(chǎn)中藥功效成分，解決了中藥功效成分含量低，提取分離困難，未來將極大緩解中藥功效成分供需不足的局面。該文從中藥功效成分合成生物學(xué)實(shí)例進(jìn)展以及中藥功效成分合成生物學(xué)策略2個(gè)方面對中藥功效成分合成生物學(xué)進(jìn)行綜述。

[關(guān)鍵詞] 中藥功效成分；合成生物學(xué)

Recent advances of synthetic biology for production of functional ingredients in Chinese materia medica

SU Xinyao1，2， XUE Jianping2 ， WANG Caixia1*

（1. Institute of Chinese Materia Medica， China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China；

2. Huaibei Normal University， Huaibei 235000， China）

[Abstract] The functional ingredients in Chinese materia medica are the main active substance for traditional Chinese medicine and most of them are secondary metabolites derivatives. Until now，the main method to obtain those functional ingredients is through direct extraction from the Chinese materia medica. However， the income is very low because of the high extraction costs and the decreased medicinal plants. Synthetic biology technology， as a new and microbial approach， can be able to carry out largescale production of functional ingredients and greatly ease the shortage of traditional Chinese medicine ingredients. This review mainly focused on the recent advances in synthetic biology for the functional ingredients production.

[Key words] fuctional ingredients； synthetic biology

doi：10.4268/cjcmm20162211

中藥功效成分是中藥發(fā)揮防病治病等功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，其大多是來自藥用植物的次生代謝產(chǎn)物或其衍生物，具有多種藥理學(xué)活性，如抗癌，抗氧化，提高免疫力等。根據(jù)生物活性的起源這些中藥功效成分可分為苯丙烷類（phenylpropanoids）、異戊二烯類（isoprenoids）、多聚酮類（polyketides）、生物堿類（alkaloids）以及黃酮類（flavonoids）[1]。不同種類的中藥功效成分在藥物開發(fā)中均有應(yīng)用，如抗瘧疾藥物青蒿素，用于治療阿茲海默癥的石杉堿A，用于治療感冒的麻黃素、抗癌藥物喜樹堿以及對埃博拉病毒感染具有治療效果的粉防己堿，在治療肥胖中有巨大潛力的南蛇藤醇等[24]。這些例子都展示了中藥功效成分在疾病治療與防御以及其他未解決的疾病方面有很大的應(yīng)用前景。

目前，中藥功效成分的獲取途徑主要有①直接從藥源植物中分離提?。虎诨瘜W(xué)及半化學(xué)合成途徑；③基于作用機(jī)制了解清晰的基礎(chǔ)上，尋求替代物；④利用植物細(xì)胞或組織培養(yǎng)技術(shù)；⑤微生物合成法。

直接從中藥中分離提取有效活性成分是目前中藥功效成分獲取的主要途徑。但該方法過度依賴于中藥資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些活性成分大約2/3來源于野生資源，而藥用功效成分多為次級代謝產(chǎn)物，在植物中的積累量極低，如紅參中稀有人參皂苷Rh2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.001%[5]；雖然中藥的栽培技術(shù)已日漸成熟，但其培養(yǎng)條件要求較高，且耗時(shí)耗力，生產(chǎn)成本高；而通過化學(xué)合成，無論是化學(xué)合成或半化學(xué)合成的方法，都會(huì)受其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)如手性及不對稱中心的限制；利用藥用植物細(xì)胞或組織培養(yǎng)，能夠克服以上多方面問題，目前，以中藥功效成分為生產(chǎn)目標(biāo)的細(xì)胞工程數(shù)量大約有100多種，研究表明，約40種活性物質(zhì)經(jīng)組織培養(yǎng)，其含量甚至高于原植株水平，但大多數(shù)中藥組培機(jī)制研究不甚清楚，而且受基因型以及細(xì)胞毒性，生產(chǎn)成本等限制，除了較為典型的例子如人參、紫草外，利用該方法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)成功的例子并不多。

中藥功效成分的微生物合成生物學(xué)法，即在系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)上，采用工程學(xué)的設(shè)計(jì)思路和方法，通過對相關(guān)功能基因的模塊化設(shè)計(jì)及改造，并充分考慮合成過程中適配性的問題，將中藥功效成分的合成過程或其前體物質(zhì)的生物合成途徑轉(zhuǎn)移到微生物細(xì)胞中，利用微生物的發(fā)酵過程完成藥用天然活性物質(zhì)的高效異源的合成。該方法主要是基于目標(biāo)產(chǎn)物生物合成路徑較為清晰的基礎(chǔ)上利用微生物易于培養(yǎng)，不受環(huán)境影響且生長周期短，生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)范化，反應(yīng)條件溫和易于控制，產(chǎn)物成分較為單一，易于分離和提取以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，解決中藥功效成分來源稀缺，化學(xué)合成困難，以及造價(jià)高的一系列問題，為中藥功效成分的工業(yè)化生產(chǎn)以及可持續(xù)利用提供了一個(gè)新的可行的方法。因其在生產(chǎn)中所帶來的巨大作用，“合成生物學(xué)”被譽(yù)為可改變世界的十大新技術(shù)之一。本文將介紹中藥功效成分合成生物學(xué)的應(yīng)用及研究進(jìn)展。

1 中藥功效成分合成生物學(xué)進(jìn)展

隨著本草基因組學(xué)[6]、高通量測序結(jié)合分子生物學(xué)工具等的應(yīng)用，大大加速了中藥功效成分合成生物學(xué)的研究進(jìn)展，在不同的底盤生物如大腸桿菌、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌等，多種中藥功效成分尤其是來源于藥用植物的單體藥物等都取得了巨大的研究進(jìn)展。

1.1 青蒿素

青蒿素的合成，從黃花蒿中提取青蒿素是目前獲取青蒿素的主要途徑，每年全世界對青蒿素的需求都在增加，而黃花蒿中青蒿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低僅為0.01%～0.8%，單一從黃花蒿中提取青蒿素沒法滿足其巨大的需求。隨著參與青蒿素生物合成的各種酶基因不斷得到克隆，通過轉(zhuǎn)基因手段在植物體內(nèi)促進(jìn)其生物合成、或在微生物中重建其代謝途徑的工作取得了較大的進(jìn)展[717]。

2003年Keasling實(shí)驗(yàn)室[7]將優(yōu)化后的紫槐二烯合成酶基因ADS導(dǎo)入大腸桿菌中，通過結(jié)合來自酵母的甲羥戊酸途徑（MVA）的相關(guān)基因，首次合成了青蒿素的關(guān)鍵前體物質(zhì)紫穗槐二烯，通過發(fā)酵優(yōu)化，其產(chǎn)量達(dá)到了0.5 g·L-1。盡管經(jīng)過不斷的優(yōu)化研究，大腸桿菌工程菌株產(chǎn)紫槐二烯的量達(dá)27.4 g·L-1[8]，但是因?yàn)镻450基因在大腸桿菌體內(nèi)表達(dá)的受限，上下游代謝流的不匹配，使得團(tuán)隊(duì)將青蒿酸的合成從大腸桿菌轉(zhuǎn)移到酵母菌株上來。2006年，該團(tuán)隊(duì)成功鑒定了催化紫穗槐二烯到青蒿酸的關(guān)鍵基因細(xì)胞色素P450氧化酶基因（CYP71AV1），基因功能顯示該酶催化紫穗槐4，11二烯的三步氧化，生成青蒿酸。團(tuán)隊(duì)將ADS基因連同鑒定的CYP71AV1和與其相關(guān)的還原伴侶AaCPR基因同時(shí)在酵母中進(jìn)行表達(dá)，成功構(gòu)建了第一株產(chǎn)青蒿酸的酵母菌株，盡管青蒿酸的產(chǎn)量仍舊比較低，但是這一工作具有創(chuàng)新的意義[910]。2008年Covello研究小組[11]發(fā)現(xiàn)青蒿醛Δ11（13）雙鍵還原酶基因（DBR2）在青蒿的腺毛組織組織中表達(dá)量很大，克隆該基因其功能催化顯示這一基因?qū)τ谇噍锶┻@一底物具有很高的活性。研究團(tuán)隊(duì)在酵母中將DBR2基因連同ADS， CYP71AV1和CPR基因一起導(dǎo)入后，在酵母菌株中產(chǎn)生二氫青蒿酸。Donald等[12]將截短了的3羥基3甲基戊二酰輔酶A還原酶（HMGR1）基因（tHMGR）導(dǎo)入釀酒酵母中，增加了HMGR1的表達(dá)量從而使角鯊烯的合成量大大提高。由于角鯊烯合酶（ERG9）促使法尼基焦磷酸（FPP）流向角鯊烯， 相對的抑制了青蒿素的合成，因此，Ro等[9]通過抑制鯊烯合酶基因（ERG9）的表達(dá)減少FPP流向角鯊烯，使紫穗槐二烯產(chǎn)量提高了2倍。Pitera等[13]研究小組通過增加HMGR和法呢酰二磷酸酯合酶基因（ERG20）的拷貝數(shù)，提高了紫穗槐二烯的產(chǎn)量。另研究發(fā)現(xiàn)萜類調(diào)控因子蛋白UPC2是酵母細(xì)胞一個(gè)重要轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控固醇生物合成，對其進(jìn)行過表達(dá)，能夠提高紫穗槐的產(chǎn)量。

2013年，Keasling團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，相比UPC5，細(xì)胞色素b5基因（CYB5）能有效促進(jìn)青蒿醇到青蒿醛的反應(yīng)，而通過對青蒿腺毛轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析，鑒定了乙醇脫氫酶基因（ADH1）和乙醛脫氫酶基因（ALDH1）分別是催化青蒿醇形成青蒿醛，青蒿醛形成青蒿酸的基因，這2個(gè)基因在酵母體內(nèi)的表達(dá)，大大降低了青蒿酸中間產(chǎn)物青蒿醇和青蒿醛的產(chǎn)量，大幅度提高了終產(chǎn)物青蒿酸的產(chǎn)量，結(jié)合超表達(dá)上游MVA的所有基因包括乙酰乙酰輔酶A硫解酶基因（ERG10），HMGCoA合酶基因（ERG13），tHMG，甲羥戊酸激酶基因（ERG12），磷酸甲羥戊酸激酶基因（ERG8），二磷酸甲羥戊酸脫羧酶基因（ERG19），異戊烯基二磷酸異構(gòu)酶基因（IDI）和ERG20同時(shí)通過啟動(dòng)子的替換將ERG9基因表達(dá)強(qiáng)度進(jìn)行弱化以減少碳流走向三萜途徑，青蒿酸合成途徑的下游基因包括ADS，CYP71AV1，CYB5，ADH1，ALDH1等基因在酵母體內(nèi)進(jìn)行表達(dá)。這些菌株改造結(jié)合優(yōu)化的發(fā)酵策略，酵母產(chǎn)青蒿酸的產(chǎn)量達(dá)到了25 g·L-1，初步達(dá)到了工業(yè)化水平[17]。除了增加通往青蒿素生物合成的代謝流，提高青蒿素的貯存能力也是解決青蒿素產(chǎn)量問題的一個(gè)有效途徑[1415]。

青蒿素生物合成的工業(yè)化必將帶來青蒿素生產(chǎn)方式的徹底變革， 也是緩解日益嚴(yán)重的青蒿素短缺局面的根本出路。同時(shí)，采用酵母發(fā)酵產(chǎn)青蒿素，其最終產(chǎn)物僅有青蒿素，目的產(chǎn)物含量高且單一，大大降低了后期分離純化的成本。

1.2 紫杉醇

紫杉醇是一種紫杉烷二萜類化合物，基本骨架為三環(huán)二萜[18]。1971年首次由Wani等從短葉紅豆杉Taxus brevifolia樹皮中提取出來一種次級代謝產(chǎn)物，具有低毒、高效的抗癌效果[19]，自1992年上市以來，一直是治療卵巢癌、乳腺癌等癌癥的首選藥物，是目前最好的抗癌藥物之一，市場需求巨大。

目前，紫杉醇的生產(chǎn)方法主要包括源植物提取法[20]、化學(xué)合成法以及生物合成法。紫杉醇的半合成法，是工業(yè)化生產(chǎn)紫杉醇的主要方法[2123]，合成該技術(shù)已比較純熟，但紫杉醇的生產(chǎn)仍受限于有限的紅豆杉資源，無法滿足市場需要；利用合成生物學(xué)技術(shù)，通過微生物來合成紫杉醇的前體物質(zhì)，再運(yùn)用半合成法合成紫杉醇是目前應(yīng)用前景最廣闊的一種方法，經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展[5，7，2426]。

Huang等[24]將脫氧木酮糖5磷酸合酶基因（DXS）基因同IDI異構(gòu)酶基因、牻牛兒基牻牛兒基二磷酸合酶（GGDPs）基因以及紫杉醇二烯合酶基因在大腸桿菌BL21（DE3）中進(jìn)行共表達(dá)，以異戊二烯焦磷酸為原料進(jìn)行發(fā)酵，合成了紫杉醇合成途徑中的重要中間體——紫杉二烯，產(chǎn)量為13 mg·L-1。首次成功的在工程菌株中合成紫杉烯，為紫杉醇的微生物合成提供了基礎(chǔ)。Ajikumar等[25]利用代謝工程多元模塊法，以異戊烯焦磷酸（IPP）為節(jié)點(diǎn)，將紫杉醇生物合成途徑分為2個(gè)模塊，即：產(chǎn)IPP的內(nèi)源性2甲基D赤蘚糖醇4磷酸（MEP）途徑的上游模塊和合成異源萜類化合物途徑的下游模塊。上游模塊包括MEP途徑的4個(gè)關(guān)鍵酶基因（dxs，idi，ispD和ispF），由操縱子（dxsidiispDF）控制過表達(dá)；下游模塊包括2個(gè)基因焦磷酸牛龍牛兒基牛龍牛兒酯（GGPP）合酶基因（G）和紫杉二烯合成酶基因（T）。將下游模塊導(dǎo)入底盤細(xì)胞中并過表達(dá)上游模塊后，雖然紫杉醇二烯的代謝流有所增加，但其合成量極少（不足10 mg·L-1），因此，該研究小組采用“多元系統(tǒng)搜索”的方法尋找上下游模塊平衡的最優(yōu)組合，并通過改變質(zhì)?？截悢?shù)和啟動(dòng)子強(qiáng)度的方法對下游模塊的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到最優(yōu)化，最后紫杉醇二烯合成量最高達(dá)1.02 g·L-1，是紫杉醇中間體紫杉醇二烯合成量最高的報(bào)道。Zhou等[26]通過大腸酵母共培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行紫杉醇的微生物合成，首先在釀酒酵母BY4700中融合表達(dá)5αCYP（P450 taxadiene 5αhydroxylase）基因和其還原酶基因CPR來催化紫杉醇合成過程中的第一個(gè)氧化反應(yīng)，然后將培養(yǎng)基中的碳源由葡萄糖替換為木糖以解決共培養(yǎng)過程中乙醇對菌體及目的產(chǎn)物的抑制作用；增加酵母接種量，將上述構(gòu)建的酵母菌株中的融合基因5αCYPCPR啟動(dòng)子替換為UASGPDp，在大腸桿菌中過表達(dá)葡糖胺磷酸乙酰轉(zhuǎn)移酶（pta），乙酸激酶（ackA），并敲除atpFH和ACS基因以增加含氧紫杉烷類的合成量；最后將更換了強(qiáng)啟動(dòng)子的TAT（taxadien5αol acetyltransferase）基因和融合了一個(gè)CYP還原酶的10βCYP（taxane 10βhydroxylase）基因在上述構(gòu)建好的酵母菌株中進(jìn)行共表達(dá)，最終含氧紫杉烷類合成量為33 mg·L-1，提高了酵母產(chǎn)紫杉醇前體產(chǎn)物的產(chǎn)量并為無法發(fā)在單一微生物中進(jìn)行生物合成的化合物的合成提供了一種新的解決方法。

1.3 人參皂苷

人參皂苷（ginsenoside）是由三萜苷元和糖、糖醛酸以及其他有機(jī)酸組成的三萜皂苷類化合物，是人參及西洋參的主要活性成分，具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化作用[27]。隨著人參皂苷的生物合成路徑的解析和相關(guān)酶的基因的克隆及鑒定，應(yīng)用發(fā)酵菌株合成人參皂苷也取得了巨大的成功。

2013年，中國學(xué)者戴住波等[2829]將人參來源的達(dá)瑪二烯合成酶基因（PgDDS），原人參二醇合成酶基因（CYP716A47）和擬南芥（Arabidopsis thaliana）來源的AtCPR1基因，導(dǎo)入酵母菌株中，并對相關(guān)基因tHMG1，ERG20，ERG9，ERG1等進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)控，同時(shí)對相關(guān)密碼子進(jìn)行優(yōu)化成功構(gòu)建出了產(chǎn)原人參二醇的工程菌株，原人參二醇的產(chǎn)量1.2 g·L-1，較原始出發(fā)菌株產(chǎn)量提高了262倍。這是首次人參皂苷重要前提物質(zhì)原人參二醇在酵母中實(shí)現(xiàn)從葡萄糖的合成。接著該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了同時(shí)可以生產(chǎn)原人參二醇、原人參三醇以及齊墩果酸的酵母菌株，其發(fā)酵產(chǎn)量可以生產(chǎn)17.2 mg·L-1的原人參二醇，15.9 mg·L-1的人參三醇以及21.4 mg·L-1的齊墩果酸，實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞同時(shí)生產(chǎn)多種人參功效成分。

2015年，Zhou等[26]成功克隆出了糖基轉(zhuǎn)移酶（UGT）的UGTPg1基因，該基因可以催化原人參二醇合成人參皂苷CK這一物質(zhì)，CK被證實(shí)是人參皂苷進(jìn)入血液中起功效的活性成分，在鑒定這一基因后，該團(tuán)隊(duì)在酵母細(xì)胞中組裝了人參皂苷CK合成途徑的基因，最終利用酵母細(xì)胞成功生產(chǎn)人參皂苷CK。接著，基于人參的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步的工作中鑒定了UGTPg45和UGTPg29這2個(gè)糖基轉(zhuǎn)移酶的基因，UGTPg45在原人參二醇的3號碳位的羥基上加入葡萄糖，形成人參皂苷Rh2， UGTPg29則是進(jìn)一步催化人參皂苷Rh2形成人參皂苷Rg3，驗(yàn)證此2個(gè)基因的催化功能后，在酵母細(xì)胞中組裝原人參二醇合成基因以及UGTPg45和UGTPg29，最終成功構(gòu)建了產(chǎn)人參皂苷Rh2和Rg3的酵母菌株，盡管目標(biāo)產(chǎn)物的生產(chǎn)濃度還比較低，都在μmol·gDCW-1的水平，但是這些工作為昂貴的單一人參皂苷生物合成提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.4 丹參酮

丹參酮是丹參中一類從唇形科植物丹參中提取得到的具有顯著藥理活性的脂溶性二萜化合物，包括丹參酮I、丹參酮ⅡA、丹參酮ⅡB、隱丹參酮、異隱丹參酮等10余種化合物，具有抑菌，抗炎，抗凝血等作用，是國際上廣泛認(rèn)可的用于治療心腦血管疾病的天然藥物之一[3031]。

二萜類化合物合成來自2個(gè)常見的前體物質(zhì)：IPP和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）模塊，它們在酵母中通過MEV途徑合成。而大部分IPP和DMAPP前體物質(zhì)進(jìn)入麥角固醇合成路徑。在此基礎(chǔ)上，研究者們通過多種合成生物學(xué)策略來提高酵母中合成丹參酮的量，例如Dai等[32]研究表明過表達(dá)tHMGR基因和突變監(jiān)控因子基因（upc2.1），可以增加FPP的供給量，但次丹參酮二烯合成量并未增加，反而積累了大量的鯊烯（78 mg·L-1）。與此相反，通過過表達(dá)融合基因FPP合酶（ERG20）和內(nèi)源性的GGPP合酶基因（BTS1）以及來自酸熱硫化葉菌的異源性的GGPP合酶基因（SaGGPS），次丹參酮二烯產(chǎn)量增加到了8.8 mg·L-1。過表達(dá)ERG20BTS1和SaGGPS基因?qū)⒋蔚⑼┊a(chǎn)量從5.4 mg·L-1增加到了28.2 mg·L-1。過表達(dá)tHMGRupc2.1和ERG20BTS1SaGGPS在產(chǎn)次丹參酮二烯時(shí)具有協(xié)同作用，次丹參酮二烯產(chǎn)量61.8 mg·L-1，最后經(jīng)流加培養(yǎng)發(fā)酵，次丹參酮二烯產(chǎn)量488 mg·L-1，為丹參酮的生物合成奠定了基礎(chǔ)。丹參生物合成路徑中的共同前體物質(zhì)——次丹參酮二烯是由SmCPS和SmKSL催化合成。高偉等[3334]首次克隆了編碼丹參柯巴基焦磷酸合酶（SmCPS）、丹參類貝殼衫烯合酶（SmKSL）的全長基因，隨后將這2個(gè)基因通過模塊組合的方式將SmCPS和SmKSL以及BTS1，ERG20，tHMG等5個(gè)基因?qū)虢湍傅妆P細(xì)胞中，次丹參酮二烯產(chǎn)量達(dá)到365 mg·L-1。Guo 等[3536]鑒定了14個(gè)與次丹參二烯生物合成相關(guān)的CYP450基因，將CYP76AH1及來自于丹參的細(xì)胞色素還原酶基因SmCPR1和SmCPR2基因整合到產(chǎn)次丹參酮二烯的工程菌株中，鐵銹醇合成量為10.5 mg·L-1，同時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵銹醇的產(chǎn)量和次丹參酮二烯的積累量呈負(fù)相關(guān)。隨后通過進(jìn)一步的共表達(dá)分析，又發(fā)現(xiàn)了丹參酮生物合成分支路徑上的2個(gè)新的P450還原酶基因CYP76AH3和CYP76AK1，并通過生化方法以及RNA干擾技術(shù)表明CYP76AH3在2種不同的碳中心使鐵銹醇氧化，CYP76AK1羥化產(chǎn)生的2個(gè)生成的中間體的C20，最終將鐵銹醇氧化為11，20二羥鐵銹醇，11，20二羥柳杉芬，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對丹參酮中間產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)。

1.5 紅景天苷

紅景天苷（salidroside）是一種多元皂苷，為紅景天Rhodiola rosea （也稱為“西藏人參”）植物中最為重要的生物活性成分[3738]，具有多種生理調(diào)節(jié)屬性，如抗氧化、抗微波輻射、抗疲勞、抗病毒、抗腫瘤以及抗衰老等[3940]。然而紅景天生存環(huán)境惡劣（一般生長在高海拔寒冷地區(qū)），傳粉困難且生長緩慢，加之近年來的過多開發(fā)，野生紅景天的資源正在枯竭的邊緣[41]，此外，紅景天中紅景天苷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低，僅為0.5%～0.8%，遠(yuǎn)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。

研究表明，紅景天苷屬于酪氨酸代謝產(chǎn)物，其合成路徑解析已較為清楚：來自于莽草酸途徑的L酪氨酸通過酪氨酸脫羧酶（TDC）轉(zhuǎn)化為酪胺；隨后酪胺在酪醇氧化酶（TYO）和乙醇脫氫酶（ADH）的連續(xù)催化作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成紅景天苷的苷元——酪醇[42]，隨后酪醇和尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）在尿苷二磷酸葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（UDPglucosyltransferase，UGT）催化作用合成紅景天苷。Bai等[43]成功運(yùn)用酵母丙酮酸脫羧酶（ARO10），內(nèi)源性ADHs， 來自紅景天的糖基轉(zhuǎn)移酶UGT73B6，第一次成功地在大腸桿菌中合成了紅景天苷。隨后經(jīng)過一系列的基因操作，包括滅火特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因tyrR，刪除丙酮酸激酶基因pykA和pykF以及分枝酸變位酶/預(yù)苯酸脫水酶基因pheA，過表達(dá)編碼L絡(luò)氨酸途徑中各種酶的基因，包括分支酸變位酶/預(yù)苯酸脫氫酶的反饋抑制突變基因tyrA（tyrA×syn），脫氧阿拉伯糖型庚酮糖磷酸合酶的反饋抑制突變基因，即aroG（aroG×syn），磷酸烯醇丙酮酸合酶基因（ppsA），轉(zhuǎn)酮醇酶（tktA），莽草酸脫氫酶（aroE），3脫氫奎尼酸脫水酶基因（aroD）和優(yōu)化后的3脫氫奎尼酸合酶基因（aroBop），有效的提升酪醇生產(chǎn)效率，紅景天苷最高產(chǎn)量達(dá)56.9 mg·L-1，為紅景天苷合成提供了一個(gè)操作簡單，經(jīng)濟(jì)效益高的，可用于大規(guī)模生產(chǎn)的方法。另外，該研究同時(shí)還表明從紅景天中提取的糖基轉(zhuǎn)移酶UGT73B6通過將葡萄糖添加到酪醇的酚醛位置來催化淫羊藿次苷D2的形成，這是關(guān)于淫羊藿苷的產(chǎn)物生物合成的報(bào)道。

2 中藥合成生物學(xué)策略

合成生物學(xué)是一門在基因工程、代謝工程等經(jīng)典學(xué)科上發(fā)展起來的整合學(xué)科，是一門將生物學(xué)工程化的學(xué)科，其目的在于將復(fù)雜的自然生物代謝系統(tǒng)改造為由簡單的可控的模塊或零件，經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對其進(jìn)行模擬預(yù)測，從而構(gòu)建出由天然或非天然的功能元件或模塊組成的生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)在各領(lǐng)域的模塊化應(yīng)用。其基本思路是：首先，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物選擇合適的底盤細(xì)胞，之后將設(shè)計(jì)好的目標(biāo)產(chǎn)物合成途徑在底盤細(xì)胞中進(jìn)行重建，對所創(chuàng)建的合成途徑進(jìn)行模塊式優(yōu)化，并根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量調(diào)整優(yōu)化策略，以達(dá)到合成途徑和底盤生物的最優(yōu)化適配，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的大量合成。

2.1 中藥功效成分合成路徑的創(chuàng)建

目前，中藥功效成分的合成途徑構(gòu)建可以分為2種模式，第一種模式是在充分了解目標(biāo)天然代謝產(chǎn)物代謝途徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究目的，將目的產(chǎn)物所在基原物種的生物合成途徑轉(zhuǎn)移到微生物中，利用底盤細(xì)胞中原有的或者重新構(gòu)建的代謝途徑大量生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物；另一種模式是根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物或其合成過程中的中間體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，利用已挖掘基因元件的功能，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)產(chǎn)物的合成甚至生產(chǎn)自然界中不存在的化學(xué)物質(zhì)。

2.1.1 原代謝途徑的直接轉(zhuǎn)移 對原代謝途徑的直接轉(zhuǎn)移，重構(gòu)和工程化這種模式對新代謝途徑的構(gòu)建可分為3種方式[44]。

第一種方式是將來源不同的與目標(biāo)產(chǎn)物合成有關(guān)的基因整合到底盤細(xì)胞中，利用底盤生物的主要和次要代謝所提供的前體物質(zhì)，然后通過異源基因的表達(dá)將其轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。這種基于基因工程基礎(chǔ)上的構(gòu)建方式是目前最為簡單的構(gòu)建方式，被廣泛的應(yīng)用到了不同的底盤細(xì)胞中去，但它的目的主要是對所設(shè)計(jì)的代謝途徑在不同底盤細(xì)胞中重構(gòu)的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。

第二種代謝方式也是基于底盤細(xì)胞固有的中間體供應(yīng)機(jī)制，在第一種方式的基礎(chǔ)上，還導(dǎo)入了中藥功效成分生物合成模塊和底物調(diào)控模塊，通過調(diào)節(jié)底物合成量來達(dá)到提高目標(biāo)產(chǎn)物的合成量。如Dai等[2829]在構(gòu)建產(chǎn)原人參二醇的工程菌株時(shí)，除了導(dǎo)入PgDDS，CYP716A47以及AtCPR1基因外，同時(shí)通過對相關(guān)基因tHMG1，ERG20，ERG9，ERG1等進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)控，原人參二醇的產(chǎn)量1.2 g·L-1，較原始出發(fā)菌株產(chǎn)量提高了262倍；Donald等[12]將截短了的HMGR1基因（tHMGR）導(dǎo)入釀酒酵母中，增加了HMGR1的表達(dá)量從而使青蒿素的前體物質(zhì)角鯊烯的合成量大大提高。

第三種方式是在前2種方式基礎(chǔ)上，同時(shí)導(dǎo)入底物合成模塊、底物調(diào)控模塊以及中藥功效成分生物合成模塊，這種方式可以不依賴于底盤細(xì)胞的底物供應(yīng)，既可以在無底物供應(yīng)的情況下完成目標(biāo)產(chǎn)物或其前體物質(zhì)的合成外，還可以同時(shí)利用底盤細(xì)胞供應(yīng)的前體以及新引入的底物供應(yīng)途徑提供的底物進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)物及其中間體的合成。最經(jīng)典的是Keasling實(shí)驗(yàn)小組在構(gòu)建的產(chǎn)紫穗槐4，11二烯的大腸桿菌中，將來自于釀酒酵母的甲羥戊酸合成模塊（底物調(diào)控模塊）、FPP 合成模塊（底物合成模塊）以及紫穗槐4，11二烯合成模塊（中藥功效成分生物合成模塊）這3個(gè)模塊同時(shí)導(dǎo)入底盤菌株中，成功構(gòu)建了產(chǎn)青蒿素前體物質(zhì)紫穗槐4，11二烯的工程菌株，后經(jīng)優(yōu)化操作，紫穗槐4，11二烯產(chǎn)量達(dá)27.4 g·L-1[10]。Ajikumar等[25]將紫杉醇生物合成途徑分為2個(gè)模塊，即：產(chǎn)IPP的內(nèi)源性MEP途徑的上游模塊和合成異源萜類化合物途徑的下游模塊。將下游模塊導(dǎo)入底盤細(xì)胞中并過表達(dá)上游模塊，經(jīng)最后優(yōu)化后，紫杉醇二烯合成量最高達(dá)1.02 g·L-1。

2.1.2 產(chǎn)目標(biāo)中藥功效成分的新合成路徑的創(chuàng)建 這種模式是基于對所需合成的目標(biāo)產(chǎn)物或其中間體的化學(xué)結(jié)構(gòu)了解比較清楚的情況下，在底盤細(xì)胞中對中藥功效成分或中間體的合成路徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，然后根據(jù)這條路徑從基因數(shù)據(jù)庫中篩選出與目標(biāo)產(chǎn)物合成有關(guān)聯(lián)的酶基因，將這些酶基因?qū)胧荏w細(xì)胞中，在底盤細(xì)胞中進(jìn)行組裝、表達(dá)，從而構(gòu)建出一條全新的、與原植物中的合成路徑相差很大的合成路徑。采用這種模式構(gòu)建的代謝途徑與原底盤細(xì)胞中固有的代謝途徑相差比較大，不需要對代謝途徑有太深入的了解。上述1.5項(xiàng)中紅景天苷和淫羊藿苷的合成都是這一方式的典型案例。

2.2 對中藥功效成分合成路徑計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)

當(dāng)選定要生產(chǎn)的目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，首先要確定該產(chǎn)物的最優(yōu)合成途徑。伴隨著新一代的測序技術(shù)以及生物信息學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展為合成路徑的發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)新的選擇，即參考代謝流分布，設(shè)計(jì)一些啟發(fā)式的假設(shè)（如菌體最大生長量、產(chǎn)物最大合成量等），進(jìn)行通量平衡分析（FBA），最小代謝調(diào)整分析（MOMA）等in silico分析方法，通過各種各樣的依靠大規(guī)模的細(xì)胞代謝模型其他工作對細(xì)胞代謝進(jìn)行系統(tǒng)的模擬操作，通過計(jì)算機(jī)模擬出最高的物質(zhì)產(chǎn)出（流平衡分析），確定最優(yōu)的合成途徑。目前，化學(xué)計(jì)量的基因組尺度代謝模型是最常用的一種模型，它能夠?qū)φw代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入的思考以及對如何將中央路徑引入到其他細(xì)胞的新陳代謝中[45]。

最早最簡單的關(guān)于化學(xué)計(jì)量模型（基因尺度或非基因尺度）是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的最大理論產(chǎn)量和最高產(chǎn)量的中代謝的流量分布。Opt Strain算法可以搜索反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，找到可以添加到網(wǎng)絡(luò)提高理論產(chǎn)量額外的反應(yīng)。這些方法已經(jīng)取得了巨大的成功，例如二氫青蒿酸的生產(chǎn)[46]。Alper等[47]通過應(yīng)用MOMA方法，鑒定并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了缺失7個(gè)基因的E.coli JE660菌株中番茄紅素的合成量顯著提高（比原菌株高約40%），成功完成了對大腸桿菌中能夠改善番茄紅素合成量的靶基因位點(diǎn)的預(yù)測及鑒定工作；2011年，Song等[48]利用基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)和流量平衡分析，確定2個(gè)氨基酸和4個(gè)維生素作為必要化合物補(bǔ)充到培養(yǎng)基中，將改善曼琥珀酸的產(chǎn)量（比原培養(yǎng)基中提高15%）。Sun等 [49]提出了一種基于約束條件，通過計(jì)算機(jī)模擬生物可達(dá)到的最佳反應(yīng)速率，基于模擬結(jié)果，確定能夠改善萜類物質(zhì)潛在的敲除位點(diǎn)，結(jié)果表明，相比野生型，大多數(shù)單突變體產(chǎn)生紫穗槐二烯的產(chǎn)率增加8～10倍。

2.3 對所創(chuàng)建的代謝途徑的優(yōu)化調(diào)控

將基因?qū)氲降妆P細(xì)胞后，需要對其所產(chǎn)生的一系列不良反應(yīng)[5055]，采取一定的應(yīng)對措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。第一個(gè)要解決的障礙是確保導(dǎo)入基因的協(xié)調(diào)表達(dá)，異源合成途徑導(dǎo)入過程往往會(huì)打破微生物在長期的自然進(jìn)化過程中所形成的代謝方式，破壞細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)平衡，造成上下游途徑的不適配性，引起中間代謝物尤其是有毒中間代謝物的大量積累，造成細(xì)胞毒性，嚴(yán)重影響細(xì)胞的正常生長，致使目標(biāo)產(chǎn)物無法高效合成[50]，同時(shí)也會(huì)影響細(xì)胞自身的生長繁殖[51]。這可以通過正確選擇包括啟動(dòng)子的調(diào)節(jié)組分和轉(zhuǎn)錄終止子，以及核糖體結(jié)合位點(diǎn)，分別控制轉(zhuǎn)錄和翻譯速率；另一方面，由于底盤細(xì)胞無法自發(fā)的對外源基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，因此還會(huì)誘發(fā)一系列的不良反應(yīng)如嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)，熱激反應(yīng)，壓力反應(yīng)等[5254]，而這些不良反應(yīng)又會(huì)造成細(xì)胞的多種改變?nèi)缳|(zhì)粒不穩(wěn)定，細(xì)胞裂解以及遺傳信息的改變等[55]。為了避免這些因素對產(chǎn)物合成的影響，必須對所構(gòu)建的工程菌株進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 啟動(dòng)子 一般來講，協(xié)調(diào)多基因表達(dá)最常用的方法就是采用不同的啟動(dòng)子對不同的基因分別進(jìn)行調(diào)控。目前常用的啟動(dòng)子分為2類：組成型啟動(dòng)子和誘導(dǎo)型啟動(dòng)子。組成型啟動(dòng)子是一類可以在保持下游基因持續(xù)表達(dá)的啟動(dòng)子，并且不需要任何誘導(dǎo)劑，其表達(dá)系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)簡便，對于比較低廉的化學(xué)品以及藥物來說，使用組成型啟動(dòng)子可以節(jié)約成本。但是過早的表達(dá)產(chǎn)物會(huì)對細(xì)胞造成毒害作用，影響宿主細(xì)胞的生長，甚至?xí)?dǎo)致宿主細(xì)胞的死亡。因而，在利用工程菌生產(chǎn)中藥功效成分時(shí)，大多用的還是誘導(dǎo)型啟動(dòng)子，這也是協(xié)調(diào)多基因表達(dá)最直接，最簡單的方法。Van Dien S J等[56]在大腸桿菌中用Ptac啟動(dòng)子控制大腸桿菌多聚磷酸鹽激酶（PPK）的表達(dá)，同時(shí)用另一誘導(dǎo)型啟動(dòng)子PBAD對聚磷酸酶（PPX）基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，通過在菌株的不同生長時(shí)期添加不同的誘導(dǎo)劑，對兩基因在不同的時(shí)期進(jìn)行表達(dá)實(shí)行了簡單的調(diào)控。但在實(shí)際運(yùn)用中，誘導(dǎo)型啟動(dòng)子只能對基因的表達(dá)起到粗略的調(diào)控，即對所控制的基因?qū)嵭腥块_啟或全部關(guān)閉，而不能實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的精細(xì)調(diào)控；另一方面，誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的數(shù)量以及誘導(dǎo)劑之間的相互干擾也極大的限制了這一方法的大規(guī)模應(yīng)用。針對這一問題，科學(xué)家們首先想到的是對啟動(dòng)子進(jìn)行改造，即應(yīng)用啟動(dòng)子工程，構(gòu)建出能夠滿足不同表達(dá)強(qiáng)度需求的啟動(dòng)子庫。ReddingJohanson等在構(gòu)建產(chǎn)倍半萜烯紫山槐4，11二烯的大腸桿菌工程菌株時(shí)，甲羥戊酸激酶（MK）和磷酸甲羥戊酸激酶（PMK）2種蛋白質(zhì)的表達(dá)水平非常低。為了克服這一瓶頸，對MK和PMK基因進(jìn)行密碼子優(yōu)化以及替換強(qiáng)啟動(dòng)子，這些變化顯著提高了紫山槐4，11二烯的產(chǎn)量（4 500 mg·L-1）[57]。另外就是通過篩選得到能夠響應(yīng)同一誘導(dǎo)物的具有不同表達(dá)強(qiáng)度的誘導(dǎo)型啟動(dòng)子，從而避免不同誘導(dǎo)劑之間的相互干擾，如Ajikumar等[25]利用代謝工程多元模塊法生產(chǎn)紫杉醇二烯實(shí)驗(yàn)中，上游模塊就是由Trc啟動(dòng)子控制MEP途徑的4個(gè)關(guān)鍵酶基因（dxs， idi，ispD和ispF）。但該方法所能利用的啟動(dòng)子庫非常少。

2.3.2 建立動(dòng)態(tài)平衡 在合成路徑的構(gòu)建往往會(huì)增加幾個(gè)數(shù)量級的前體途徑的代謝流，即使是細(xì)胞本源的代謝路徑，也會(huì)使酶活性水平的失衡，導(dǎo)致代謝物濃度的巨大波動(dòng)。例如，在利用酵母中異戊二烯途徑產(chǎn)青蒿素過程中，會(huì)有2個(gè)中間體在這個(gè)途徑導(dǎo)致細(xì)胞生長抑制，一是HMGCoA，它會(huì)在脂肪酸生物合成路徑中導(dǎo)致反饋抑制，這是由于它和malonylCoA的相似性所導(dǎo)致的；一個(gè)是倍半萜的直接前體物質(zhì)法呢基焦磷酸（FPP）。而FPP代謝流需要很大才能滿足萜類物質(zhì)大量合成的要求，當(dāng)下游途徑的表達(dá)模塊與FPP供應(yīng)量不能相協(xié)調(diào)時(shí)，F(xiàn)PP的積累會(huì)造成細(xì)胞毒性，對細(xì)胞生長造成威脅，同時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物的合成也受到影響。針對這一問題，Dahl等[58]將來源于大腸桿菌的對FPP壓力起負(fù)調(diào)控的啟動(dòng)子被用來調(diào)控上游乙酰輔酶A硫解酶（atoB），而對其起正調(diào)控啟動(dòng)子被用來調(diào)控下游ads的表達(dá)，通過設(shè)計(jì)紫槐二烯途徑以及甲羥戊酸途徑的動(dòng)態(tài)回路，成功促進(jìn)了紫槐二烯的合成；Yuan等[59]利用實(shí)時(shí)定量PCR對釀酒酵母中基因的表達(dá)進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)胞中麥角固醇積累時(shí)，羊毛甾醇14α去甲基化酶（ERG11）、C8甾醇異構(gòu)酶（ERG2）、C5 甾醇去飽和酶（ERG3）這3個(gè)基因的表達(dá)是下調(diào)的，并對調(diào)控這些基因的啟動(dòng)子進(jìn)行了鑒定，利用這些響應(yīng)啟動(dòng)子對ERG9的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，萜類合成量提可高2～5倍。

2.3.3 操縱子策略 在原核生物中，多個(gè)相關(guān)基因在表達(dá)是往往會(huì)被組合成一個(gè)操縱子，而操縱子基因之間的序列能夠直接影響mRNA的加工以及穩(wěn)定性。合成生物學(xué)運(yùn)用這一特性，用一個(gè)啟動(dòng)子對多個(gè)基因進(jìn)行表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。Pfleger等通過改變基因間的區(qū)域（tunable intergenic regions，TIGRs）這一方法，成功實(shí)現(xiàn)了對同一個(gè)操縱子中多個(gè)不同基因的精確調(diào)控。該方法通過構(gòu)建包含mRNA二級結(jié)構(gòu)、RNA酶切位點(diǎn)以及核糖體結(jié)合位點(diǎn)的TIGRs庫，對這些調(diào)控元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，得到最優(yōu)化的DNA序列，Pfleger等利用該方法，對大腸桿菌中異源的甲羥戊酸途徑中的3個(gè)基因的表達(dá)量進(jìn)行了平衡調(diào)控，最終，甲羥戊酸產(chǎn)量提高了7倍[60]。

2.3.4 支架蛋白 支架蛋白是存在于生物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中的一種不具備酶活性的蛋白質(zhì)，能同時(shí)將2個(gè)或多個(gè)功能相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，從而保證了信號傳遞的特異性和高效性。以該理論為基礎(chǔ)，通過人工設(shè)計(jì)支架蛋白，對代謝途徑中相關(guān)酶進(jìn)行優(yōu)化和改造，把功能相關(guān)的酶形成可控的復(fù)合體，通過對代謝途徑中基因表達(dá)的精密調(diào)控，在提高底物的有效濃度的同時(shí)，解決細(xì)胞毒性以及代謝壓力的問題，最終達(dá)到提高底物轉(zhuǎn)化效率的目標(biāo)。Keasling實(shí)驗(yàn)小組[50]根據(jù)大腸桿菌工程菌中所構(gòu)建的甲羥戊酸途徑，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)由3個(gè)不同配基組成的支架蛋白，同時(shí)對該途徑中的3個(gè)合成酶atoB、羥甲基戊二酰CoA合酶（HMGS）、HMGR添加了相應(yīng)的配體，通過改變支架蛋白上配基的數(shù)量來改變著3個(gè)酶的化學(xué)計(jì)量數(shù)，從而達(dá)到平衡代謝流、減少細(xì)胞負(fù)荷的目的，同時(shí)甲羥戊酸生產(chǎn)濃度提高了77倍。雖此方法可以對代謝流進(jìn)行精密高效的控制，但自然界中的支架蛋白只存在于其固有的信號途徑中，而對其進(jìn)行設(shè)計(jì)及改造十分局限，實(shí)施起來難度較高，目前成功的例子很少。

3 展望

中藥功效成分的獲取，無論是從中藥中提取，還是化學(xué)合成、半化學(xué)合成以及一些其他方法等，這些方法都有很大的局限性，同時(shí)無法滿足人類對中藥功效成分的需求。合成生物學(xué)方法利用微生物易于培養(yǎng)等特點(diǎn)生產(chǎn)中藥功效成分，為其可持續(xù)利用提供了一個(gè)新的可行的方法。雖然合成生物學(xué)起步較晚，但發(fā)展迅猛，各種高效、簡便的生物學(xué)技術(shù)也相繼誕生，如高通量測序技術(shù)、不同尺度的DNA組裝技術(shù)以及一些文庫，如啟動(dòng)子文庫、核糖開關(guān)文庫等的建立，都極大的推動(dòng)了該方法的發(fā)展。通過合成生物學(xué)技術(shù)，利用微生物發(fā)酵來進(jìn)行中藥功效成分的異源合成已經(jīng)取得的一系列成果，如青蒿素、人參皂苷、丹參酮等的生物學(xué)合成，尤其是青蒿素的生物合成方面更是顯示出了其在中藥功效成分合成方面的巨大優(yōu)勢和潛力，為中藥領(lǐng)域的開發(fā)注入了新的活力。

盡管利用合成生物學(xué)生產(chǎn)中藥功效成分近幾年取得了很大進(jìn)展，但這一領(lǐng)域同樣存在很大的困難和問題，最主要的是目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量達(dá)不到工業(yè)化的需求，很多中藥功效成分的合成還處于實(shí)驗(yàn)室合成階段，在產(chǎn)量比較低的情況，造成目的產(chǎn)物生產(chǎn)成本比較高，因此目前而言，合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)功效成分適用于那些資源短缺、植物中含量低且比較貴重的中藥功效成分。另外，中藥功效成分生源合成途徑的解析限制了利用合成生物學(xué)進(jìn)行生產(chǎn)這些成分，盡管目前已有青蒿素、人參皂苷等成分的合成途徑解析，但是中藥大部分功效成分的解析依然存在很大的困難，進(jìn)展緩慢，這嚴(yán)重限制了合成生物學(xué)在合成中藥功效成分上的利用，因此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量的提高和更多中藥功效成分生物合成途徑的解析應(yīng)是未來合成生物學(xué)生產(chǎn)中藥功效成分的重點(diǎn)研究方向。

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