金铁锁鲨烯合酶cDNA的克隆和功能鉴定

濒危药用植物金铁锁(Psammosilene tunicoidesW.C.Wu et C.Y.Wu.)的有效成分三萜总皂苷有显著的药理活性。为克隆和鉴定金铁锁三萜皂苷生物合成途径中的关键酶基因——鲨烯合酶的全长cDNA,本研究采用同源兼并引物PCR和cDNA末端快速扩增(RACE)等方法克隆了其全长cDNA;结合大肠杆菌异源表达、体外酶促反应及针对产物化学结构的GC和GC-MS分析等方法鉴定了其功能。研究结果表明:金铁锁鲨烯合酶cDNA全长为1 663bp,含有1 245 bp的开放阅读框(ORF),编码414个氨基酸(计算分子质量为47.69 kD),5′非编码区(UTR)和3′UTR分别为260 bp和158 bp,GenBank注册号为EF585250,与三七、人参和甘草的鲨烯合酶的氨基酸序列有较高的同源性,分别为83%、82%和82%,而与裂变酵母、白色念珠菌和人的氨基酸序列的同源性分别只有35%、39%和47%;表达产物具有催化两分子法呢烯焦磷酸连接成鲨烯的活性。本研究克隆和鉴定了金铁锁鲨烯合酶的全长cDNA,为金铁锁次生代谢工程研究提供了重要基础。

金铁锁种质资源的遗传多样性分析

目的研究中国西南特有濒危药用植物金铁锁的遗传多样性。方法应用AFLP分子标记技术对具有代表性的7个金铁锁居群,共137个个体进行分析。结果在金铁锁的物种水平上,Nei’s基因多样性指数(He)、Shan-non’s信息指数(I)、多态位点百分率(PPB)分别为0.2434±0.1791、0.3735±0.2485、82.30%;在其居群水平上分别为0.0918±0.1610、0.1402±0.2362、30.48%。居群间Nei遗传分化指数(Gst):0.6244;Shannon’s多样性基因遗传分化系数(Ist):0.6246。聚类表明:地理距离相对远的丽江居群与个旧居群遗传距离最近;昆明居群与其他居群遗传距离较远。统计获得9条可区分各地方居群的特征指纹带。结论金铁锁种内的遗传多样性水平丰富,而居群内遗传多样性水平较低,居群间遗传分化显著;各居群间亲缘关系与地理距离无明显相关性;其种内特征带与各居群特征带结合,可以为AFLP分子标记技术用于其种质资源的鉴定、遗传育种提供重要的依据。

金铁锁不同居群rDNA ITS序列分析

目的:分析金铁锁不同居群的核糖体ITS碱基序列,为鉴别不同产地金铁锁提供分子依据。方法:使用1对引物18P1和26P2进行ITS基因的PCR扩增并测序。结果:12个居群金铁锁的ITS1片段长度为225~229 bp,ITS2片段长度为166~170 bp,5.8S片段长度为261~264 bp。云南昆明、丽江、个旧、鹤庆和四川盐源5个居群的ITS序列碱基完全一致,云南宣威、会泽、中甸、保山、四川木里、西藏林芝等7个居群的ITS序列则有不同的变化,碱基变异数目(包括5.8 S编码区)为1~4个。结论:经过比较分析,rDNA ITS区碱基序列在分布于云南中部、四川西南端等居群与云南西部、西北端、西藏东南部、四川西南部居群具有各自相应的指纹特征,可以作为相应居群的鉴别依据。

微生物细胞工厂

微生物细胞工厂是合成生物学的重要研究方向之一.本文以微生物细胞工厂的产业应用为需求牵引,从物质代谢和能量代谢两方面系统阐述了细胞工厂的合成代谢调控机制,为高效细胞工厂创建奠定了理论基础.本团队在物质代谢方面,建立了新酶元件挖掘技术平台,完成了一系列三萜化合物的合成途径解析;开发了染色体多基因文库调控、糖基化酶碱基编辑器(glycosylase base editor, GBE)等途径精准调控使能技术,完成一系列化学品合成途径限速步骤的鉴定,解决了元件与合成途径的适配问题.在能量代谢方面,设计创建了4种葡萄糖新型能量代谢模式,解决了合成途径还原力供给与需求不平衡的问题.在此基础上,创建出一系列微生物细胞工厂, 14个化学品完成技术转让,其中4个化学品实现万吨级产业化,支撑一家企业在科创板上市,推动了微生物细胞工厂的产业应用.最后,对未来微生物细胞工厂的研究进行了展望.

创建酿酒酵母细胞工厂发酵生产广藿香醇

广藿香醇是存在于中药广藿香挥发油中的一种重要倍半萜类化合物,被认为是广藿香油药理功效和香味的主要贡献成分,具有抗菌、抗肿瘤和抗氧化等多种生物学活性。目前,全球广藿香醇及其混合精油需求量大,传统植提法存在浪费土地,污染环境等诸多问题,因而亟需一种新的方法高效、低成本的生产广藿香醇。为了拓宽广藿香醇的生产方式,实现在酿酒酵母中异源生产广藿香醇,该研究首先将来源于广藿香Pogostemon cablin的广藿香醇合酶(PS)基因进行密码子优化后置于诱导型强启动子GAL1下,转入萜类底盘菌YTT-T5,成功获得可发酵生产(4.0±0.3)mg·L^(-1)广藿香醇的工程菌PS00。为了提高转化率,采用了蛋白质融合手段将丹参来源的SmFPS基因与PS基因进行融合,广藿香醇摇瓶产量提高25倍,达(100.9±7.4)mg·L^(-1)。在此基础上,进一步优化融合基因的拷贝数,广藿香醇的产量提升了90%,达到(191.1±32.7)mg·L^(-1)。最终通过发酵工艺优化,该菌在精确发酵体系中广藿香醇产量能达到2.1 g·L^(-1),为目前报道最高水平。该研究为广藿香醇的绿色生产提供了重要基础。

创建酿酒酵母细胞工厂发酵生产芳香精油瓦伦烯

瓦伦烯是一种具有柑橘气味的倍半萜类化合物,常被用于化妆品和食品添加剂,以及工业合成诺卡酮。本研究拟用合成生物学技术创建酿酒酵母细胞工厂发酵生产瓦伦烯。首先,在底盘细胞YTT-T5中引入北美金柏来源的瓦伦烯合酶(Cn VS),成功获得可生产1.1 mg·L^(-1)瓦伦烯的工程菌VAL-01;采用蛋白质融合技术,不同植物来源的瓦伦烯合酶筛选,并调整了关键基因拷贝数后,瓦伦烯产量提升至436.4 mg·L^(-1)。进一步工作中,删除转录因子ROX1,瓦伦烯的产量提高了17.4%。最后,对半乳糖诱导系统进行调控,并过表达多药耐药性调控因子PDR3和调控内质网大小转录因子INO2,所得工程菌株VAL^(-1)0经高密度发酵能生产2 798.6 mg·L^(-1)瓦伦烯(产量是初始菌株的2 500倍),为瓦伦烯绿色生产提供了基础。

中药活性成分异源仿生合成——中药资源保护与开发新模式

中药活性成分异源仿生合成是一种新的资源获取模式,在中药资源保护与开发过程中展现出巨大的潜力。基于合成生物学理论,通过构建微生物仿生细胞的方式,在微生物中模仿药用动植物中活性成分的合成方式,将从药用动植物获得的关键酶在微生物中通过科学设计和系统重建与优化,实现活性成分在微生物中的异源合成。此种方式不仅能保证目标产物的高效绿色定向获取,还可以实现大规模工业化生产,是解决稀缺中药资源生产的可行方法,在“农业工业化”过程中发挥作用,为推动中药资源绿色可持续发展提供了新选择。该文通过萜类、黄酮类、苯丙素类和生物碱活性成分的生物合成,异源仿生合成研究领域的重点与难点,以及中药复杂组分仿生细胞等3个方面的研究案例,系统概述中药活性成分异源仿生合成研究领域的重要进展,为促进新一代生物技术和理论应用于传统中医药发展提供重要参考。

植物天然产物合成生物学研究

植物天然产物在医药健康领域有着广泛的应用。从植物中直接提取是目前生产植物源天然产物的主要方法,但此法在环境、安全和效率等方面存在诸多问题。基于合成生物学的理念,创建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模式。文章将从研究路线出发,在萜类、苯丙素类和生物碱等化合物的生产应用案例中,介绍人工合成细胞生产植物源天然产物的研究现状。

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。

论中药资源可持续发展的现状与未来

中药资源是中医药的物质基础,几千年的积累为人们的生产生活提供了丰富的药物基础保障,近年来,随着社会的发展、需求量的不断增大,加之对合理开发利用中药资源的认识不足,使中药资源的可持续发展和利用陷入困境,中药材质量难以保障、中药传统文化精髓丢失、自然环境承受巨大压力等问题严重制约了中医药事业的发展,该文介绍了针对这些问题科学工作者们在中药资源普查、道地药材形成机制研究、中药材新品种培育、珍稀濒危中药材替代品的研究及合成生物学应用于中药活性成分研究等方面所做的工作,并对中药资源未来的发展方向提出几点建议。

探讨道地药材研究的模式生物及模型

道地药材的物质属性是道地药材科学内涵的根本。生物学角度认为道地药材的表型包括药材性状、组织结构、有效成分的组成和含量及其疗效等,其取决于道地药材原植物的基因型及其所处的环境,即"表型=基因型+环境饰变"。为这一假说能得到科学的诠释,作者探讨了以丹参Salvia miltiorrhiza为材料建立可控的研究模型以及树立丹参为模式植物的思路与方法来研究道地药材生物学成因的可行性。

创建酿酒酵母细胞工厂高效生产人参皂苷前体达玛烯二醇Ⅱ

人参皂苷是名贵药材西洋参和人参的主要活性成分,其中达玛烯二醇Ⅱ为人参皂苷类成分生物合成途径中的重要中间体。为构建高产人参皂苷前体达玛烯二醇Ⅱ的细胞工厂,本研究在优化过甲羟戊酸途径(MVA途径)工程菌的基础上,通过基因模块组合优化的方法获得能显著提高三萜前体的功能模块C30-M:分别由丹参法尼基焦磷酸合酶(Sm FPS)和拟南芥鲨烯合酶(At SQS2)组成,其鲨烯的含量能达到67.4 mg·g^(-1),约占细胞干重的6.74%;在进一步工作中,发现来源于拟南芥的2,3-环氧鲨烯合酶(At SQE2)能提高下游中间体羊毛甾醇的产量到47.9 mg·g^(-1),为对照菌含量的22倍;然后,通过调控达玛烯二醇Ⅱ合酶基因的表达和采用反义RNA技术对麦角固醇合成途径中的ERG7基因进行调控及发酵工艺优化等策略,首次将三萜合成通量提高到10 g·L^(-1)级别,创建出产量能达到15 g·L^(-1)达玛烯二醇Ⅱ的高效酵母细胞工厂,为达玛烷型人参皂苷的产业化合成奠定了坚实的基础。

丹参酮合成生物学研究进展

通过阐明并模拟中药活性成分生物合成的基本规律,人工设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统(药用植物或微生物系统),这种中药合成生物学研究策略,将是一种极具潜力的中药活性成分资源获取方法。丹参酮是丹参中一类具有显著药理活性的二萜,该文系统介绍了丹参酮合成生物学研究进展,旨在为其他中药萜类活性成分研究提供借鉴,为中药资源可持续利用研究提供新的研究策略。

酵母人工合成细胞生产植物源天然产物

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。

常春藤皂苷元生物合成解析及酵母细胞工厂的构建

常春藤皂苷元为威灵仙等药用植物的有效成分,在抗肿瘤、抗炎、抗抑郁、保肝、抑菌等方面有较好的药理活性。为获得高效生产常春藤皂苷元的酿酒酵母细胞工厂,该研究首先利用即插即用生物合成途径解析平台,在蔷薇科植物苹果Malus×domestica中成功筛选获得能催化齐墩果酸C-23位氧化的P450氧化酶基因Md MA02,其氨基酸同源性仅为已知活性的CYP72A68v2基因的32%。工程菌BY-OA-Md MA02经高密度发酵优化,其生产常春藤皂苷元产量能达到101 mg·L-1,是摇瓶发酵的337倍。该研究为推动齐墩果烷型五环三萜生物合成途径解析及常春藤皂苷元高效细胞工厂的创建提供了基础。

齐墩果酸酵母细胞工厂的合成途径与发酵工艺优化

目的:通过遗传改造和发酵工艺优化等方法进一步提高齐墩果酸酿酒酵母细胞工厂的生产能力。方法:利用多片段基因同源重组法,增加齐墩果酸酿酒酵母工程菌BY-OA中甘草β-香树脂合酶(GgbAS),蒺藜苜蓿齐墩果酸合成酶(MtOAS)和拟南芥烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸-细胞色素P450还原酶1(AtCPR1)等基因的拷贝数;并通过优化YPD发酵液中初糖浓度的方式提高齐墩果酸的产量。结果:增加工程菌BY-OA中GgbAS,MtOAS和AtCPR1基因的拷贝数能显著提高工程菌中目标产物的产量,获得的工程菌BY-2OA在初始葡萄糖浓度为20 g·L-1的YPD培养基中发酵7 d后β-香树脂和齐墩果酸分别达到136.5 mg·L-1(提高54%)和92.5 mg·L-1(提高30%),当初糖浓度提高到40 g·L-1时,齐墩果酸产量能达到165.7 mg·L-1。结论:新获得的工程菌BY-2OA生产齐墩果酸的能力显著提高,为发酵法生产齐墩果酸奠定了基础。

丹参牛牻儿基牻牛儿基焦磷酸合酶基因的克隆与分析

目的:获得丹参牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶基因(GGPS),并进行生物信息学分析和初步的表达特性研究。方法:根据GGPS蛋白序列保守区域设计简并引物,利用同源扩增和cDNA末端快速扩增技术从丹参根中获得目的基因;利用BLAST进行序列比对,ORF F inder寻找开放阅读框,Prosite分析蛋白质的基本结构域,Target P 1.1分析信号肽序列,MEGA4.0比对已有GGPS蛋白序列,并构建进化树;用半定量RT-PCR检测其在丹参子叶期根、叶和花期根、茎、叶、花蕾、花中的表达情况;设计特异引物,从丹参基因组DNA中扩增,获得编码完整的GGPS基因,初步分析该基因结构。结果:得到1条长1298 bp的GGPS cDNA序列,其ORF框长1 095 bp,编码1段含有52个氨基酸质体定位信号肽的364个氨基酸序列,具有多聚异戊二烯基合成酶的特异序列,与已报道的GGPS基因有60%以上的同源性;RT-PCR半定量分析表明该基因在所分析的各组织中均有表达,尤以花期叶片中的表达最强;基因结构分析表明该基因有1个397 bp的内含子。结论:首次得到丹参牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶基因,为其功能研究提供了基础。

高产橙花叔醇的酵母细胞工厂创建

橙花叔醇为萜类精油成分,具有抗菌、抗肿瘤和抗氧化等多种生物学活性。为了实现在酿酒酵母中异源生产橙花叔醇,该研究首先将猕猴桃Actinidia chinensis来源的橙花叔醇合酶(NES)基因通过密码子优化、人工合成后转入底盘菌株FPP-001中获得工程菌株NES-001,其橙花叔醇产量达到2.71 mg·L^(-1)。在进一步工作中,橙花叔醇合酶的N端通过连接肽GGGS融合法尼烯合酶(FPS)后得到橙花叔醇产量显著提高的工程菌NES-002,其产量是NES-001的59.80倍,达到162.07 mg·L^(-1)。最终,通过恢复NES-002中色氨酸生物合成缺陷基因TRP1得到工程菌NES-003,该菌在高密度发酵体系中橙花叔醇产量能达到1 711.53 mg·L^(-1)。该研究为微生物发酵法生产橙花叔醇等倍半萜化合物提供了基础。

构建酿酒酵母细胞工厂生产番茄红素

为构建高效生产番茄红素的酿酒酵母细胞工厂,本研究首先在酿酒酵母中引入番茄红素生物合成途径基因Crt B和Crt I,获得能生产0.17 mg·L-1番茄红素的初始工程菌ZD-L-000。在此基础上,在工程菌ZD-L-000中分别过表达MVA途径中的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶编码基因t HMG1、萜类合成调控的转录因子编码基因upc2.1、二萜生物合成的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶与法呢基焦磷酸合酶编码基因BTS1-ERG20,以及来自嗜酸热硫化叶菌的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶编码基因Sa GGPS,考察这些基因过表达对番茄红素合成的影响,结果发现过表达upc2.1基因未能提高番茄红素的产量,但过表达t HMG1、BTS1-EGR20和Sa GGPS基因均能显著提高番茄红素的产量,分别为初始菌株的2.0,16.9和20.5倍。在进一步研究中,t HMG1、BTS1-EGR20和Sa GGPS等有效基因被一同整合入工程菌ZD-L-000,获得的高产菌株ZD-L-201中番茄红素的产量提高77.0倍,达到13.23 mg·L-1;在高密度-两相发酵体系中工程菌ZD-L-201的番茄红素产量能进一步提高到135.21 mg·L-1(提高10.2倍)。本研究获得的工程菌为微生物发酵法生产番茄红素提供了基础。