光合生产植物天然产物的代谢工程蓝藻研究现状

专题光合生产植物天然产物的代谢工程蓝藻研究现状51www.biobusiness.com.cn生物产业技术2017.01（1月）光合生产植物天然产物的代谢工程蓝藻研究现状倪俊，陶飞，许平上海交通大学生命科学技术学院，上海200240摘要：蓝藻是植物天然产物光合生产的理想平台，它们不仅具有遗传背景简单、营养需求低和高CO2固定效率等优势，还可以解决生物法制备天然产物所面临的植物源酶适配性、还原力供应和对昂贵底物依赖等限制因素。介绍了近年来利用蓝藻光合生产植物天然产物及前体物质的最新研究进展和发展趋势，分析了蓝藻生产天然产物的优势，为进一步开发天然产物的光合平台提供指导，并对产业化发展方向进行了展望。关键词：蓝藻；植物天然产物；合成生物学；代谢工程；光合微生物DOI:10.3969/j.issn.1674-0319.2017.01.008许平，微生物代谢国家重点实验室副主任，上海交通大学特聘教授，美国国家发明家科学院（NAI）院士，美国生物医学工程院（AIMBE）会士。担任SCI期刊如《EngineeringinLifeSciences》编辑和《ScientificReports》、《ProcessBiochemistry》、《BioprocessandBiosystemsEngineering》、《Biodegradation》等杂志的编委。近年主要从事环境与工业微生物技术的研究，在污染环境的生物修复天然食品添加剂发酵和生物催化生产技术等方面取得多项原创性的重要成果。E-mail：pingxu@sjtu.edu.cn植物次生代谢物在其生长发育、环境适应、抵御病虫害等方面发挥着重要作用，根据其合成路径的差异，可以分为生物碱类、萜类、苯丙烷类。这些天然产物通常具有特殊生物活性，被广泛应用于医药、轻化工、食品及农药等领域[1]。目前有75%抗感染性疾病药物和超过60%的抗癌药来源于天然产物或其类似物，这些天然产物大多属于植物次生代谢物[2]。如紫杉醇是目前最有效的天然抗癌药物之一，青蒿素是一种抗疟疾药。植物天然产物主要从天然植物中提取，但是由于种植面积有限、生长慢、化合物含量低和分子类似物多等限制，使得产量难以满足市场需求[3]。化学合成法产量较高，但副产物多导致分离相对困难，生产过程也会给环境带来较大压力[4]。同时，化学法获得的天然产物通常价格较低，如合成香兰素一般在15美元/千克左右，而天然香兰素价格约比其高300倍[5]。合成生物学和代谢工程是未来生物技术经济的主要推动力，为生物法制备天然产物带来了新契机，其具有环境友好、生产周期短、易于工业化放大生产、产量相对较高、产物易于分离纯化和不依赖于气候、土地等诸多优势[6]。生物法制备植物天然产物通常依赖昂贵的前体物质，较高底物成本限制了其应用。近年，在微生物中人工设计合成途径，利用葡萄糖第一作者：倪俊，微生物学博士，上海交通大学微生物代谢国家重点实验室博士后。主要从事高值植物天然产物微生物发酵和光合生产的研究。E-mail：tearroad@sjtu.edu.cn专题www.biobusiness.com.cn生物产业技术2017.01（1月）52等廉价碳源合成植物天然产物已成为现实[7]。然而，植物源酶适配性、还原力和能量供应等限制因素的存在，使得生产效率并不高。同时，底物成本依然是生产成本不可忽视的部分。因此，尽管生物法制备香兰素发展较快，但实现经济可持续的生产仍是巨大的挑战，而光合微生物的引入为天然产物生产带来了新契机。1蓝藻是植物天然产物生产的理想宿主光合微生物蓝藻用于光合生产有许多优势，如细胞结构简单、易于基因操作、生长速度较快、不受气候和土地限制等[8]。尤为重要的是，蓝藻具有较高的太阳能利用效率，比大多数微生物的营养需求低，仅需要太阳能、水、CO2、N和P等无机营养，不依赖于有机碳源[9]。这使得其得到广泛的关注，并用于生产生物燃料和大宗化学品，如正丁醇、异丁醛、2,3-丁二醇、脂肪酸和异丙醇等[10]。蓝藻在生产植物天然产物方面有着许多与生俱来的独特优势。在植物天然产物的合成过程中，涉及到许多植物酶，其中细胞色素P450单加氧酶对苯丙烷类、生物碱类和萜类等天然产物的合成至关重要。然而，许多真核生物的P450单加氧酶都是膜结合蛋白，难以在大肠杆菌等大多数原核微生物中异源表达，因为这类微生物缺少内生的膜系统[11]。蓝藻与大多数原核微生物不同，其细胞内拥有类囊体膜系统，使得植物源P450单加氧酶可以功能性的表达。先前的研究也证实了这一点，Xue等[12]在蓝藻Synechocystissp.PCC6803中功能性表达了拟南芥（Arabidopsisthaliana）P450对香豆酸-3-羟化酶，成功将对香豆酸转化为咖啡酸。经过免疫印迹分析，发现对香豆酸氢化酶定位于工程