新本草計(jì)劃——基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究

王勇

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新本草計(jì)劃——基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究

王勇

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心中國(guó)科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032

王勇. 新本草計(jì)劃——基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究. 生物工程學(xué)報(bào), 2017, 33(3): 478–485.Wang Y. New materia medica project: synthetic biology based bioactive metabolites research in medicinal plant. Chin J Biotech, 2017, 33(3): 478–485.

經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，合成生物學(xué)研究的對(duì)象從單細(xì)胞的生物元件和裝置的研究，逐漸過(guò)渡到多細(xì)胞的復(fù)雜體系。植物合成生物學(xué)被稱(chēng)為合成生物學(xué)研究的“下一篇章”。從復(fù)雜而多樣的植物代謝切入進(jìn)行植物合成生物學(xué)研究，有助于人類(lèi)在更復(fù)雜的層面上理解生命運(yùn)行的本質(zhì)規(guī)律，及更深入地認(rèn)知復(fù)雜人造生命的設(shè)計(jì)和構(gòu)建的科學(xué)及工程原理；也有望在藥用植物活性代謝物的合成生物學(xué)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)突破。本文綜述了該領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展，并提出新本草計(jì)劃的研究設(shè)想，通過(guò)基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究，使數(shù)千年傳統(tǒng)的本草學(xué)研究煥發(fā)新生。

新本草計(jì)劃，合成生物學(xué)，活性代謝物，藥用植物

1 合成生物學(xué)的下一篇章

合成生物學(xué)是基于工程化的原理，設(shè)計(jì)和改造自然界已有的生命系統(tǒng)，或從頭構(gòu)建自然界沒(méi)有的人造生命裝置或體系?；趯?duì)生物系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識(shí)，合成生物學(xué)使我們有可能以更優(yōu)化的方式對(duì)自然生命重新設(shè)計(jì)和編程。合成生物學(xué)可以作為一項(xiàng)重要的工具和研究手段，以設(shè)計(jì)和構(gòu)建的方式提升人類(lèi)對(duì)生命工作原理的理解與操控能力，揭示生命的本質(zhì)及生命活動(dòng)的基本規(guī)律；同時(shí)，通過(guò)更優(yōu)化的方式重新設(shè)計(jì)生物體，創(chuàng)建超越自然功能的人造生命，推動(dòng)生物技術(shù)顛覆式創(chuàng)新，為解決人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中所面臨的資源、能源、健康、環(huán)境和國(guó)防等領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)提供新的解決 方案。

在過(guò)去的十年，美國(guó)、英國(guó)、歐洲和中國(guó)等世界主要科學(xué)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)均在合成生物學(xué)上投入了大量人力、物力，并在人工染色體從頭合成和拼裝、復(fù)雜代謝體系的改造和創(chuàng)建、基因回路設(shè)計(jì)和構(gòu)建等領(lǐng)域取得了迅速發(fā)展；在高端制造、精準(zhǔn)醫(yī)療、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，合成生物學(xué)研究的對(duì)象從生物元件、簡(jiǎn)單裝置、基因組到單細(xì)胞，逐漸過(guò)渡到多細(xì)胞的復(fù)雜體系。隨著研究的發(fā)展與深入，植物合成生物學(xué)應(yīng)運(yùn) 而生。

植物合成生物學(xué)被稱(chēng)為合成生物學(xué)研究的“下一篇章 (Next chapter)”，這是合成生物學(xué)發(fā)展合乎邏輯的自然結(jié)果。與單細(xì)胞的微生物相比，多細(xì)胞的植物體系富含內(nèi)膜系統(tǒng)和各種細(xì)胞器，植物表面的腺毛是代謝物合成和貯存的重要場(chǎng)所，這一復(fù)雜的時(shí)空特性，為不同類(lèi)型的酶和代謝物的合成提供了所需的最適的環(huán)境。多細(xì)胞植物體系的復(fù)雜性，也為我們進(jìn)行合成生物學(xué)研究提供了絕佳的模式體系：從復(fù)雜而多樣的植物代謝為切入點(diǎn)進(jìn)行植物合成生物學(xué)研究，通過(guò)設(shè)計(jì)獲得可定向合成目標(biāo)代謝物的植物體系，對(duì)理解復(fù)雜生命設(shè)計(jì)的基本原理，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2 植物合成生物學(xué)的研究進(jìn)展

植物合成生物學(xué)領(lǐng)域在國(guó)際上已然引起發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注。例如，2014年2月，英國(guó)生物技術(shù)和生物科學(xué)研究理事會(huì) (BBSRC) 和工程與自然科學(xué)研究理事會(huì) (EPSRC) 兩家機(jī)構(gòu)撥款4 000萬(wàn)英鎊資助創(chuàng)建3個(gè)多學(xué)科交叉研究的合成生物學(xué)新中心，旨在建立英國(guó)國(guó)家合成生物學(xué)戰(zhàn)略的重要組成部分，增強(qiáng)英國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究實(shí)力和工業(yè)化能力。其中，劍橋大學(xué) (Cambridge) 和BBSRC旗下的約翰英納斯中心 (John innes centre) 獲得1 200萬(wàn)英鎊建立了開(kāi)放植物合成生物學(xué)研究中心 (Open plant synthetic biology research centre)，以開(kāi)發(fā)在植物合成生物學(xué)中使用的開(kāi)放技術(shù)。該中心將推出面向國(guó)際的DNA注冊(cè)系統(tǒng)，以共享關(guān)于植物特定元器件的信息，并提供簡(jiǎn)單的測(cè)試平臺(tái)。這項(xiàng)舉措通過(guò)開(kāi)發(fā)和交換新的基礎(chǔ)工具和植物元器件，直接有助于針對(duì)植物新性狀的遺傳操作。此外，該中心還將提供相關(guān)論壇，以方便技術(shù)交流和開(kāi)展植物合成生物學(xué)對(duì)保護(hù)自然資源和可持續(xù)發(fā)展?jié)撛谟绊懙确矫娴母鼜V泛的討論。

植物合成生物學(xué)的研究也取得了許多進(jìn)展。如Marillonet等建立了基于Golden Gate的模塊化克隆體系[1–2]，可以將多個(gè)DNA片段按指定順序和方向拼接成一個(gè)大分子，同時(shí)他還將植物研究中常用的啟動(dòng)子、終止子、UTR元件標(biāo)準(zhǔn)化[2]。除了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，植物基因組編輯技術(shù)也發(fā)展迅速，一系列基于TALEN和CRISPR/CAS9的工具載體已經(jīng)公開(kāi)，可以對(duì)植物基因組進(jìn)行精準(zhǔn)修飾[3–6]。另外John Innes Centre的George Lomonossoff 建立了基于CPMV-HT的高效瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)，可在植物侵染后5 d內(nèi)獲得高水平的重組蛋白，已成功應(yīng)用于代謝途徑解析和重構(gòu)[7]。美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)Medford等建立的可檢測(cè)環(huán)境中一些特定小分子 (例如TNT) 的哨兵植物傳感器[8]，在擬南芥和玉米中感受細(xì)胞分裂素的傳感器系統(tǒng)[9]，在煙草中利用擬南芥phytochrome B和PIF6構(gòu)建的可受紅光控制的開(kāi)關(guān)[10]以及感受病菌侵襲的傳感器等[11]。

對(duì)植物活性代謝物的研究，一直是合成生物學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過(guò)合成生物技術(shù)，在微生物細(xì)胞中快速高效地獲得珍稀植物的稀有活性成分，這一想法已經(jīng)得到了驗(yàn)證，青蒿酸合成生物技術(shù)前期所取得的成功，為天然產(chǎn)物的研究和開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條新的途徑。這不僅大大降低了天然藥物的生產(chǎn)成本，也為保護(hù)珍稀植物資源、藥用植物開(kāi)發(fā)和藥物開(kāi)發(fā)提供了新的途徑。但是青蒿素在后期的產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。Peplow等2016年在上發(fā)文指出酵母發(fā)酵合成青蒿酸雖然是微生物合成生物學(xué)的里程碑之一，但在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，實(shí)際的生產(chǎn)成本與青蒿種植提取法相比競(jìng)爭(zhēng)力不足[12]，也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明植物底盤(pán)的優(yōu)勢(shì)及植物合成生物學(xué)的必要性。近年來(lái)，研究人員已經(jīng)開(kāi)始嘗試在植物體內(nèi)通過(guò)重組代謝途徑合成有價(jià)值的復(fù)雜代謝物中間體或終產(chǎn)物。2011年Zhang等將青蒿紫穗槐二烯合酶(Amorphadiene synthase，ADS) 和細(xì)胞色素P450單加氧酶 CYP71AV1 轉(zhuǎn)入煙草，檢測(cè)到紫穗槐二烯和青蒿醇積累，但是沒(méi)有檢測(cè)到青蒿酸；而表達(dá)青蒿醛雙鍵還原酶 (Artemisinic aldehyde Δ11 (13) double-bond reductase，DBR2) 可進(jìn)一步得到二氫青蒿醇[13]。Farhi等將ADS、青蒿P450還原酶、CYP71AV1以及DBR2構(gòu)建在同一載體上轉(zhuǎn)入煙草，實(shí)現(xiàn)了青蒿素的異源合成，并且通過(guò)過(guò)表達(dá)MVA途徑限速酶HMGR、將ADS定位到線(xiàn)粒體上的方式，使青蒿素含量達(dá)到6.8 μg/g 干重[14]。雖然低于青蒿中的青蒿素含量，但這是首次在異源植物中重構(gòu)青蒿素代謝途徑，是植物合成生物學(xué)中的重大突破。2016年，德國(guó)馬普所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的合成生物學(xué)方法：COSTREL (Combinatorial supertransformation of transplastomic recipient lines)。他們將青蒿酸的完整合成途徑基因整合到煙草葉綠體的基因組中，在篩選出的最佳的葉綠體轉(zhuǎn)化煙草中，在細(xì)胞核DNA中再導(dǎo)入一系列可調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的其他基因，最終獲得了120 mg青蒿酸/kg 生物量[15]。Malhotra等則通過(guò)將青蒿素合成途徑分區(qū)化地定位于煙草細(xì)胞的葉綠體、細(xì)胞核及線(xiàn)粒體中，獲得了0.8 mg/g干重的青蒿素。部分純化的煙草提取物可在體外抑制惡性瘧原蟲(chóng)感染的紅細(xì)胞的生長(zhǎng)。在小鼠模型中，與商業(yè)化的藥物相比，通過(guò)口服飼喂完整的煙草植物細(xì)胞可減少寄生蟲(chóng)血癥的水平[16]。

植物源活性代謝物研究的一個(gè)難點(diǎn)在于解析這些次生代謝物的生物合成途徑，所有合成生物學(xué)的設(shè)計(jì)也正是基于這一過(guò)程和機(jī)制的解析。微生物中的次生代謝合成途徑往往以基因簇的形式存在于染色體上，這種成簇的排列非常利于對(duì)某一代謝物生物合成途徑的解析、生物元器件的挖掘或后續(xù)的工程化設(shè)計(jì)。因此，基于元件挖掘、元件的模塊化設(shè)計(jì)和操作的組合生物合成研究在微生物來(lái)源的次生代謝物中已有許多成功的先例。近年來(lái)隨著植物基因組研究的深入，發(fā)現(xiàn)在植物來(lái)源的次生代謝物中，某些特定產(chǎn)物的生物合成基因在染色體上也存在成簇排列的現(xiàn)象[17]。這一發(fā)現(xiàn)也為植物次生代謝物合成途徑的解析和工程化設(shè)計(jì)提供了新的可能性。

高通量測(cè)序技術(shù)快速發(fā)展，產(chǎn)生了植物基因組和轉(zhuǎn)錄組的大量信息，為解析植物次生代謝途徑提供了有力工具，推動(dòng)了植物活性代謝物合成生物學(xué)的發(fā)展。例如在抗腫瘤生物堿noscapine的合成途徑解析過(guò)程中，Winzer等通過(guò)分析不同品種罌粟的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，從noscapine高產(chǎn)的罌粟品種HN1中，發(fā)現(xiàn)在編碼5個(gè)酶家族的10個(gè)基因顯著高表達(dá)，且在基因組中以基因簇的形式存 在[18]。利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)，作者證明了這10個(gè)基因編碼組成了noscapine的生物合成途徑。Lau等分析了損傷葉片的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選得到29個(gè)候選基因，利用煙草鑒定了6個(gè)etoposide合成途徑中的新基因，并進(jìn)一步在煙草中成功地重建了etoposide合成途徑[19]。Ignea等在酵母中建立了植物源二萜鼠尾草酸的片段化生物合成途徑，并以酵母作為功能篩選平臺(tái)，鑒定了鼠尾草酸生物合成所需要的4個(gè)細(xì)胞色素羥化酶基因，闡明了鼠尾草酸的生物合成途徑[20]。Qu等通過(guò)分析長(zhǎng)春花葉片表皮細(xì)胞EST數(shù)據(jù)并結(jié)合病毒誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)鑒定了長(zhǎng)春新堿生物合成途徑中的3個(gè)酶編碼基因，并證明了不同的中間體在植物葉片的不同組織中合成[21]。

植物次生代謝物種類(lèi)繁多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然大多具有共同的前體合成途徑，但后修飾則高度特異性和多樣性，因此需要逐個(gè)解析。植物的基因組龐大，且修飾酶如P450單加氧酶、醇脫氫酶、糖基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶等通常有數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)序列相似度很高，但功能高度分化的基因編碼。這些酶的編碼基因通常不是成簇存在于植物的基因組。因此，從大量基因中快速找到特定合成途徑基因并鑒定催化功能是植物合成學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)之一，也是該領(lǐng)域的難點(diǎn)。到目前為止，生物合成途徑完全得以解析的植物活性代謝物還很少，即使一些著名的化合物，其合成途徑仍然存在未知，如一線(xiàn)抗腫瘤藥物紫杉醇的途徑上還缺少4?5步關(guān)鍵酶基因；青蒿素的過(guò)氧橋的形成仍然未知等。這些關(guān)鍵合成酶編碼基因的缺失，正成為藥用植物活性次級(jí)代謝物合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的最大障礙。

3 基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究

植物來(lái)源的次級(jí)代謝產(chǎn)物一直是藥物開(kāi)發(fā)的重要源泉，世界上的藥品絕大多數(shù)直接或間接地來(lái)源于植物，藥用植物占藥用資源的比例達(dá)87%。藥用植物中所蘊(yùn)含的活性成分類(lèi)型多種多樣，涉及到的次生代謝途徑也十分復(fù)雜。傳統(tǒng)的藥用植物研究和開(kāi)發(fā)多利用植物提取物進(jìn)行植物化學(xué)和藥理學(xué)研究，這一方式嚴(yán)重依賴(lài)于植物資源的獲取和消耗，面臨著野生植物資源匱乏、生長(zhǎng)緩慢、難于人工栽培、遺傳操作困難等諸多難題，無(wú)論是傳統(tǒng)的植物資源，還是一些特別珍稀、瀕危的植物資源，都不能滿(mǎn)足需求。合成生物學(xué)將為植物源天然產(chǎn)物的研究、開(kāi)發(fā)、植物資源的可持續(xù)利用和發(fā)展，開(kāi)辟一條全新而高效的途徑。

我國(guó)是藥用植物資源和生產(chǎn)大國(guó)，有數(shù)千年的藥用植物研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的傳統(tǒng)和歷史，歷代本草學(xué)著作延綿不斷，有深厚的理論與實(shí)踐積累。近年來(lái)，植物來(lái)源的天然產(chǎn)物提取物發(fā)展迅猛，已成為我國(guó)中醫(yī)藥產(chǎn)品出口的主力，占我國(guó)中藥產(chǎn)品出口總額的47%，品種涵蓋了色素、天然甜味劑、膳食補(bǔ)充劑、藥用原料以及化妝品用精油等諸多類(lèi)別?？梢哉f(shuō)，植物源的活性代謝物在中國(guó)生物制造、醫(yī)藥、食品等行業(yè)中具有特別重要的地位。與此同時(shí)，目前我國(guó)列入保護(hù)范圍的野生植物有300多種，其中藥用植物占了一半以上；而另一方面，臨床經(jīng)常使用的700多種植物藥材中，絕大多數(shù)仍來(lái)自于野生資源。通過(guò)合成生物技術(shù)，迅速提升我國(guó)藥用植物資源的開(kāi)發(fā)利用能力，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)天然產(chǎn)物產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)換代，提升行業(yè)水平，提高其國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力已勢(shì)在必行。

在全球范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的42萬(wàn)種植物中，具有藥用價(jià)值的植物約為5萬(wàn)余種。雖然經(jīng)過(guò)數(shù)百年的努力，但經(jīng)現(xiàn)代科學(xué)系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)的植物尚不足2%。盡管人類(lèi)已知的天然產(chǎn)物的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)50萬(wàn)種，但絕大多數(shù)天然產(chǎn)物的生物合成途徑?jīng)]有得到解析。即使是許多已廣泛應(yīng)用的植物源活性天然產(chǎn)物，我們對(duì)其活性分子的生物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控的過(guò)程及分子機(jī)制知之甚少。這不僅是阻礙藥用植物活性產(chǎn)物開(kāi)發(fā)的瓶頸，也是合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的一大障礙。合成生物學(xué)要應(yīng)用于藥用植物小分子活性產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)和制造，使得傳統(tǒng)的本草學(xué)研究重新煥發(fā)生機(jī)，希望和挑戰(zhàn)并存，迫切需要解決這些問(wèn)題。立足于藥用植物中天然產(chǎn)物生物合成過(guò)程的認(rèn)知，利用不斷發(fā)展的信息學(xué)及生物技術(shù)，豐富合成生物學(xué)工具箱、開(kāi)發(fā)和改造更合適的底盤(pán)，方能實(shí)現(xiàn)植物天然產(chǎn)物的合成生物學(xué)愿景?；诖?，藥用植物合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究與工程化研究迫在眉睫，我們提出新本草計(jì)劃的研究設(shè)想，通過(guò)基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究，回答兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題：1) 植物活性代謝物生物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)及其調(diào)控的機(jī)制是什么? 2) 如何通過(guò)合成生物學(xué)的設(shè)計(jì)及工程化方法實(shí)現(xiàn)植物體系中活性代謝物的高效定向合成？

通過(guò)藥用植物合成生物學(xué)的研究，不但有助于人類(lèi)在更復(fù)雜的層面上理解生命運(yùn)行的本質(zhì)規(guī)律，更深入地認(rèn)知復(fù)雜人造生命的設(shè)計(jì)和構(gòu)建的科學(xué)及工程原理；同時(shí)，通過(guò)該項(xiàng)研究，有望在藥用植物活性代謝物的生物合成過(guò)程解析及合成生物學(xué)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)突破，為藥用植物活性代謝物的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)提供方法、材料和技術(shù)支撐，也為藥物開(kāi)發(fā)、植物生理和生物工程制造等相關(guān)學(xué)科奠定研究基礎(chǔ)。

在建國(guó)以來(lái)數(shù)十年的研究開(kāi)發(fā)中，我國(guó)已經(jīng)積累了一大批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的藥用植物活性代謝物以及天然產(chǎn)物物種和基因資源。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)科學(xué)家在藥用植物基因組學(xué)研究和次生代謝途徑解析方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。如中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所陳士林課題組已完成赤芝、茯苓、紫芝、丹參、人參和三七等藥用植物物種的基因組精細(xì)圖繪制或轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究[22–24]；中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院黃璐琦等課題組部分解析了丹參酮的生物合成途徑中的miltiradiene合成酶(SmKSL)、CYP76AH1、CYP76AH3、CYP76AK1等基因，并獲得了中間體[25–27]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所黃三文課題組通過(guò)對(duì)黃瓜全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)黃瓜中葫蘆素 (Cucurbitacins) 合成途徑基因簇，以及調(diào)控葫蘆素合成途徑的轉(zhuǎn)錄因子Bl和Bt[28]。在棉酚代謝途徑解析過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所的陳曉亞研究員團(tuán)隊(duì)在煙草中重構(gòu)棉酚代謝途徑。通過(guò)在本氏煙草中表達(dá)Farnesyl pyrophosphate synthase (FPS)，(+)-delta-cadinene synthase (CDN)，CYP706B1，D24 (alcohol dehydrogenase)，CQ1 (P450) 以及TX10 (P450)，已成功獲得一系列代謝中間體，并通過(guò)改變FPS、CDN等蛋白的亞細(xì)胞定位顯著提高了化合物含量 (未發(fā)表數(shù)據(jù))。

2010年以來(lái)，我國(guó)科技部“973”、“863”計(jì)劃均部署了與合成生物學(xué)相關(guān)的研究項(xiàng)目，并在合成生物技術(shù)的應(yīng)用研究方面取得了一系列突破。其中，與植物天然產(chǎn)物合成有關(guān)的成果包括，中國(guó)科學(xué)院大連化物所利用前期建立的“模塊途徑工程策略”重新組裝代謝途徑，構(gòu)建了新型釀酒酵母工程菌，提高了丹參酮前體次丹參酮二烯的產(chǎn)量[29]。中國(guó)科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)解析和挖掘貝殼杉烯母核四環(huán)二萜類(lèi)化合物生物合成途徑中的未知基因，重構(gòu)了甜菊苷類(lèi)化合物的合成途徑，實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)化合物的合成生物學(xué)制造[30]；通過(guò)挖掘鑒定UDP-糖基轉(zhuǎn)移酶元件，在酵母底盤(pán)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了從單糖到稀有人參皂苷CK的生物合成，并已開(kāi)始進(jìn)行藥物轉(zhuǎn)化相關(guān)研究[31–33]。但這些研究均是以單細(xì)胞的微生物為底盤(pán)，取得了有限的突破。但仍然存在許多問(wèn)題，如對(duì)特定化合物的生物合成途徑的解析不夠，尚未能解析最終活性產(chǎn)物的合成途徑；由于微生物底盤(pán)的局限性，如對(duì)植物來(lái)源的細(xì)胞色素P450酶系表達(dá)性差、對(duì)活性產(chǎn)物的耐受性差等原因，多數(shù)體系不能獲得最終的活性產(chǎn)物或產(chǎn)量很低。植物細(xì)胞中存在復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器，其中的代謝途徑高度區(qū)域化，同一途徑中的酶經(jīng)常分布在不同的內(nèi)膜系統(tǒng)中，代謝中間產(chǎn)物需要運(yùn)輸和擴(kuò)散到其他結(jié)構(gòu)中才能完成代謝過(guò)程。目前對(duì)于植物細(xì)胞內(nèi)中間體化合物的運(yùn)輸和擴(kuò)散機(jī)制，以及不同細(xì)胞器中的酶如何協(xié)同高效地進(jìn)行催化了解很少。另外，不同細(xì)胞器和內(nèi)膜系統(tǒng)中的pH值、氧化還原環(huán)境、離子環(huán)境、輔酶種類(lèi)和濃度都不完全相同，在代謝網(wǎng)絡(luò)分析和建模時(shí)不僅需要考慮優(yōu)化基因表達(dá)強(qiáng)度和蛋白豐度，還要考慮酶的亞細(xì)胞定位以及周?chē)h(huán)境，增加了植物合成生物學(xué)設(shè)計(jì)和建模的難度，這些都是目前迫切需要解決的問(wèn)題。

綜上所述，立足于中國(guó)數(shù)千年藥用植物研究的傳統(tǒng)，面向未來(lái)，如何使傳統(tǒng)的本草學(xué)研究煥發(fā)新生，與時(shí)俱進(jìn)？基于合成生物學(xué)的植物活性代謝物研究，有望全面提升我國(guó)的合成生物學(xué)研究和植物活性代謝物開(kāi)發(fā)水平；也有機(jī)會(huì)使我國(guó)在合成生物學(xué)和藥用植物研究方面取得引領(lǐng)性的突破。我們急需通過(guò)這類(lèi)研究，全面提升植物合成生物學(xué)使能技術(shù) (Enabling technology) 水平，并突破一批重要天然產(chǎn)物產(chǎn)品的合成生物創(chuàng)制，實(shí)現(xiàn)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級(jí)。

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(本文責(zé)編 陳宏宇)

王 勇 博士，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所研究員，中科院“百人計(jì)劃”，博士生導(dǎo)師，中科院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，上海市生物工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)微生物學(xué)會(huì)分子微生物與生物工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。主要研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物的合成生物學(xué)，研究?jī)?nèi)容涉及天然產(chǎn)物生物合成途徑的解析、合成生物學(xué)設(shè)計(jì)與異源合成等。近年來(lái)發(fā)表論文60余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利8項(xiàng)。

New materia medica project: synthetic biology based bioactive metabolites research in medicinal plant

Yong Wang

Key Laboratory of Synthetic Biology, CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China

In the last decade, synthetic biology research has been gradually transitedfrom monocellular parts or devices toward more complex multicellular systems. The emerging plant synthetic biology is regarded as the “next chapter” of synthetic biology. The complex and diverse plant metabolism as the entry point, plant synthetic biology research not only helps us understand how real life is working, but also facilitates us to learn how to design and construct more complex artificial life. Bioactive compounds innovation and large-scale production are expected to be breakthrough with the redesigned plant metabolism as well. In this review, we discuss the research progress in plant synthetic biology and propose the new materia medica project to lift the level of traditional Chinese herbal medicine research.

new materia medica project, synthetic biology, bioactive metabolites, medicinal plant

October 27, 2016; Accepted: December 28, 2016

Yong Wang. Tel/Fax: +86-21-54924295; E-mail: yongwang@sibs.ac.cn

Supported by:The Deployment Project of CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences (No. CEMPS2016004), National Basic Research Program of China Program (973 Program) (No. 2012CB721104), National Natural Science Foundation of China (No. 31170101).

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心部署項(xiàng)目 (No. CEMPS2016004)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃) (No. 2012CB721104)，國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 31170101) 資助。

2017-01-17

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20170117.0853.001.html