植物底盘:天然产物合成生物学研究的新热点

天然产物广泛地存在于植物体内,是药物、食品添加剂和新型生物燃料等开发的主要来源,具有重要的商业价值,该类化合物也一直是合成生物学研究的热点之一。随着研究的深入,近年来以植物为底盘的天然产物研究日益兴起。本文中,笔者综述了近年来以植物为底盘的天然产物合成生物学研究的进展,包括该类代谢物代谢途径的解析、以植物为底盘的遗传操作技术和方法等,为相关研究者提供参考。

本氏烟草悬浮细胞NBS-1的创建及底盘特征分析

植物合成生物学在植物天然产物的发掘制造方面具有明显的理论优势,但因缺乏高效的底盘系统及相关使能技术,其对生物合成领域的贡献有限。最常用的植物底盘——烟草由于操作周期长、改造难度大、代谢及纯化背景复杂、烟碱毒性和农业生产难精准控制等问题,而烟草悬浮细胞底盘体系可有效解决上述问题。本研究旨在开发出生长快速、生物量高、分散度好、转化效率高、烟碱含量极低并具备较高科研价值及工业化潜力的烟草悬浮细胞底盘。选取分子技术高适用性的本氏烟草(Nicotiana benthamiana),诱导获得的悬浮细胞NBS-1生长迅速、分散性好,最高生物量可达到476.39g/L(鲜重),各项参数均远超常用的烟草BY-2(Nicotiana tabacum L.cv Bright Yellow 2)细胞系。常用的pEAQ-HT高效瞬时表达系统在NBS-1中的转化表达效率可达81%,远高于BY-2。利用转录组数据对BY-2和NBS-1的代谢特征及偏好性进行分析,发现NBS-1的黄酮类等化合物合成通路基因的表达显著高于BY-2,且NBS-1的生物碱合成通路基因的表达显著低于BY-2,并通过代谢物含量测定实验验证了该分析结果,表明NBS-1极低烟碱含量的同时,为该底盘对应产品的选择提供参考。综上,本研究开发出的生长转化优异、黄酮类含量较高且烟碱含量极低的本氏烟草悬浮细胞底盘NBS-1,对于开发烟草悬浮细胞底盘有重要指导意义。

植物活性特异性代谢物合成生物学应用研究进展

植物来源的特异性代谢产物估计超过几十万种(这里是指相对分子质量小于2 000的化合物),有维持植物生命活动和生长发育所必需的初生代谢物;也有与植物适应生长环境密切相关的特异性代谢物(plant specialized metabolites, PSM)。人们对植物来源的活性特异性代谢产物并不感到陌生,如青蒿素、紫杉醇和吗啡等。随着测序技术和各种"组学"技术的飞速发展,植物活性特异性代谢产物生物合成途径的研究也从最初的小规模EST测序(结合相关酶的纯化)和单个基因的功能鉴定逐步走向大规模测序、比较基因组学研究和整个代谢网络解析。近年来,人们在解析相关活性代谢产物生物合成途径的基础上,开始利用合成生物学的策略(包括微生物和植物底盘)大规模生产植物活性特异性代谢产物,并取得重要进展。在本综述中,我们对当前植物活性特异性代谢产物的生物合成途径解析策略及其合成生物学应用两个方面的进展做一个总结。

植物合成生物学调控元件的研究进展

近年来,合成生物学研究从低等的单细胞生物逐渐进入到多细胞的复杂高等生物体系。以植物为底盘的合成生物学研究为人工生物体系的设计和开发带来了新的研究方向。调控元件是合成生物学设计的基础,通过理性设计调控元件可以从时空、剂量等多种角度实现基因表达的精准调控,进而构建出不同的人造性状。植物调控元件的研究处于起步阶段,不仅数量少,还缺乏定量定性的表征方法,标准化描述也不完善。本文概述了近年来植物调控元件的研究进展,内容包括植物转录调控元件的类型特征、表征方法、数据库及其合成生物学应用。本文还指出了植物调控元件研究目前存在的问题,并对未来发展方向提出了展望。