查文龙, 卜兰, 訾佳辰

合成生物学 2024, 5 (3): 631-657. DOI:10.12211/2096-8280.2023-082

摘要（547）

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中药是中华民族的文化瑰宝，也是我国在新药创制领域的重要驱动力。许多中药材来源于稀缺物种，其药效物质的规模化获取困难，是制约中药新药创制研究的重要瓶颈。合成生物学的出现和快速发展为解决这一瓶颈问题提供了新的途径。目前，中药药效物质的合成生物学研究在单个药效分子的生物制备方法上取得了重要进展。中药的药效主要源于多成分作用的叠加和协同，所以药效成分群是中药药效物质的主要形式，然而针对药效成分群的合成生物学研究鲜有报道。建立中药药效成分群合成生物技术的关键是精确调控组成分子的比例，从而产出优质药效成分群。本文首先总结了挥发油、总皂苷、总黄酮、总木脂素、总生物碱等重要类型中药药效成分群形成机制的研究进展。然后，重点以檀香挥发油为例，介绍如何通过酶工程和代谢工程的联合运用实现药效成分群成分比例和产量的双重优化。最后，对中药药效成分群合成生物学领域的未来研究重点进行了展望，包括：（1）加强中药药效成分群生物合成途径解析方面的研究，重点深入阐明复杂药效成分群的形成机制；（2）加强代谢优化手段方面的创新研究，重点揭示未知代谢调控机制并基于此发展创新调控策略；（3）加强酶工程方法学的创新研究，重点发展新型理性设计和定向进化的联用技术以及人工智能辅助的酶工程技术。

在檀香挥发油生物合成途径中，首先檀香烯合酶SaSSy环化E，E-FPP，得到四种檀香烯分子（α-檀香烯、β-檀香烯、epi-β-檀香烯和exo-α-香柠檬烯）；然后细胞色素P450酶CYP736A167氧化四种檀香烯分子，生成四种檀香醇分子（α-檀香醇、β-檀香醇、epi-β-檀香醇和exo-α-香柠檬醇）。因此，檀香挥发油中的所有成分均来源于同一路径，无法通过分别合成各成分再组合的方式得到理想配比的挥发油。所以，精准调控分子配比是建立高品质檀香挥发油生物制备方法的关键难点。由于CYP736A167对四种檀香烯分子的选择性无差别，因此四种檀香醇分子之间的比例与四种檀香烯分子的比例高度一致。所以，檀香挥发油中成分的比例主要由SaSSy决定。而黄皮树中的檀香烯合酶SanSyn仅专一性地产生α-檀香烯［39］。SaSSy中的T318作为广义碱，负责从中间体C的C4和C13位脱质子，分别生成α-檀香烯和β-檀香烯（图10）；而在SanSyn中，T298作为广义碱，仅能从中间体C的C4位脱质子，生成α-檀香烯（图10）［28］。进一步发现SanSyn中的F441阻碍了中间体C的构象动态变化，尤其限制了C6-C7-C8-C9二面角的波动，致使T298仅能接近C4，而无法接近C13位，因此只能在C4位脱质子，生成α-檀香烯（图10）。用体积较小的氨基酸取代F441后，突变酶可同时产生α-檀香烯和β-檀香烯，说明解除了F441对中间体C构象变化的限制［28］。在突变酶SanSynF441V的产物中，α-檀香烯和β-檀香烯的占比最为理想，分别为57.2%和28.6%［28］。利用SanSynF441V和CYP736A167，构建了檀香挥发油的酿酒酵母细胞工程，所产挥发油中α-檀香醇和β-檀香醇的含量比例分别为43.4%和22%，达到高品质印度檀香挥发油的标准［28］。