工业大肠杆菌发酵“生产”丹参素 天大团队构建微生物定制合成细胞工厂

天津大学新闻网 2017/12/25 17:20:09
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丹参素具有改善血流、抑制血小板活化和动脉血栓形成等药理活性,是治疗心脑血管疾病的化学药物。目前,丹参素主要从丹参中药材中提取,但存在收率低、产品质量不稳定等局限性。天津大学合成生物学团队、化工学院教授赵广荣研究组历时6年,通过合成生物学研究,开发出丹参素的高效生物生产方法,使用工程细菌,如工业大肠杆菌,进行发酵生产丹参素,实现了丹参素的从头生物合成。目前,该团队已构建了定制合成的微生物细胞工厂,发酵生产的丹参素产量达7g/L以上。该成果属于国际领先水平,发表于生物技术类高水刊物《代谢工程》、《微生物细胞工厂》上,且拥有国家授权发明专利。

我国是丹参素植物提取物的主要生产国家。但传统的提取方法为水提醇沉,不足之处是乙醇浓度过高,使原料中丹参素等酚性成分损失较大,含量不稳定。近年来还出现了一些新的提取技术,如酶提法、微波萃取法,但仍然不能解决植物提取法面临的植物原料受限和质量不稳定、生产能力低、种植受到季节和地理位置的限制等根本问题。天然产物的全合成是解决用药资源、提高药用产品质量的重要途径,而现有的化学全合成丹参素方法,步骤复杂,选择性差,产率低,且环境污染严重。

研究人员首创使用合成生物学方法来合成丹参素。团队通过生物酶催化机理分析和结构反应推导,深入挖掘生物信息大数据资源,发现了对羟基苯乙酸羟化酶能把丹参素的直接前体——对羟基苯丙酮酸进行间位羟化,而D-乳酸脱氢酶能使酮基还原,从而转化生成丹参素。而且,如果使用D-乳酸突变酶,还能大幅度提高丹参素的转化率。根据大肠杆菌能合成对羟基苯丙酮酸的特性,赵广荣团队对生物基因模块进行重新设计和组装,得到可以高产前体的大肠杆菌 “底盘细胞”,然后将丹参素合成模块的基因导入该“底盘细胞”中,利用葡萄糖发酵,从而实现了丹参素的人工生物合成。

一般来说,同类研究的思路是先解析天然植物中丹参素的合成途径,再在微生物中重构。但赵广荣团队“逆向而行”,他们在天然植物中丹参素的生物合成途径未被解析的情况下,直接利用微生物基因,通过新反应设计,建立全新的人工代谢途径,定制合成植物源药物丹参素,为定制合成生物技术的发展提供了新思路。国际顶尖杂志英国《自然 化学生物学》对该研究成果进行全文介绍和亮点评述,指出,“该人工途径为植物多酚提供了新来源”。

目前,该科研团队对基因组进行精准编辑,把丹参素合成模块和强化后的前体合成模块定位整合到大肠杆菌“底盘细胞”的染色体上,同时敲除了“无用”基因,使工业大肠杆菌在没有任何抗生素和诱导剂添加的情况下形成一个 “智能微生物细胞工厂”,持续不断合成丹参素。这为丹参素工业产业化奠定了基础。该研究得到国家973计划、863计划、国家自然科学基金和天津市基金项项目的资助。

如今,合成生物学已经成为绿色生物制造产业高速发展的引擎。利用合成生物技术改变传统的工业生产方式,将减少对自然资源的依赖,以更小的环境代价获得高经济产出,破解资源、能源、健康、环境、安全等重大难题,也为微生物天然定制合成技术打通了重要途径。