合成生物学应用——细胞工厂
Bioresour Technol. 2026 Jan 27:134069. doi: 10.1016/j.biortech.2026.134069.
基于生物技术的生物碱可持续生产:应用、挑战与展望。Sustainable biomanufacturing of alkaloids driven by biotechnology: applications, challenges and perspectives.
He H(1), Li S(2), Ning X(2), Shi G(2), Li Y(3).
Author information: (1)Jiangsu Key Laboratory of Sericultural and Animal Biotechnology, School of Biotechnology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, China; Key Laboratory of Silkworm and Mulberry Genetic Improvement, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Sericultural Scientific Research Center, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Zhenjiang 212100, China. Electronic address: hehehe@just.edu.cn. (2)Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu Province 214122, China; National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, 1800 Lihu Avenue, Wuxi, Jiangsu Province 214122, China; Jiangsu Provisional Research Center for Bioactive Product Processing Technology, Jiangnan University, 1800 Lihu Avenue, Wuxi, Jiangsu Province 214122, China. (3)Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu Province 214122, China; National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, 1800 Lihu Avenue, Wuxi, Jiangsu Province 214122, China; Jiangsu Provisional Research Center for Bioactive Product Processing Technology, Jiangnan University, 1800 Lihu Avenue, Wuxi, Jiangsu Province 214122, China. Electronic address: liyouran@jiangnan.edu.cn.
生物碱在营养学、药物学以及众多工业领域中发挥着至关重要的作用。然而,传统的基于植物的提取方法受到环境敏感性和产量不稳定的限制,这凸显了需要更可持续且可靠的生产替代方案的必要性。微生物细胞工厂为大规模生物合成生物碱提供了一个有前景的平台。这篇综述概述了生物碱生物合成的基本原理,并展示了如何通过工程策略来提高生产效率。此外,还探讨了用于扩大和多样化微生物来源生物碱结构库的生物技术创新,以解锁新的功能。最后,讨论了生物碱生物制造当前面临的挑战和未来的发展方向,为微生物生产高价值生物基化合物提供了更广泛的见解。这些见解强化了生物技术在推进可持续生物碱生物制造以及塑造其未来应用中的核心作用。
相似专利
CN113652443B 菌株及其发酵生产麦角生物碱的应用
帕金森氏症(Parkinson’s disease,PD)是一种进展性的、神经退行性的运动障碍类疾病,是由可以生成多巴胺的脑细胞缺失造成,严重影响患者的日常生活和工作。据统计,中国有将近300万的PD患者,占全球PD患者的一半,是世界上该病患者最多的国家。而我国每年新增患者约10万,65岁以上发病率为1.7%,70岁患病率达3%-5%,是排在肿瘤、心脑血管病之后中老年人的“第三杀手”。PD的治疗,目前主要以左旋多巴类药物为主,但是长期服用,会导致患者运动和非运动症状(开关现象)。然而PD的新药研发难度较大,例如2018年1月,全球最大的制药公司辉瑞(Pfizer)发表声明,宣布因技术能力不足将暂停治疗PD的药物研发。这导致PD患者仍然需要使用左旋多巴和多巴胺激动剂药物去控制自己的病情。因此,高效获取和开发能够治疗帕金森病的改良药物,不仅可以缓解患者的病痛,同时也具有重要的社会贡献和经济价值。
微生物来源的药物在人类对抗疾病危害中扮演着重要角色,如降血脂药洛伐他汀及其衍生物,广谱抗细菌药物青霉素和头孢类抗生素,免疫抑制药物环孢素和胶霉毒素等。麦角生物碱是由麦角菌属(Claviceps)侵染禾本科植物而产生的次级代谢产物,被誉为最重要的天然药物分子之一。研究表明,由于麦角生物碱核心结构中的麦角灵四并环(图1)与神经递质(多巴胺、色胺、5-羟色胺等)的结构比较类似,可以特异性结合人脑中的各种神经递质受体,激活或抑制相关神经信号传导。因此,麦角生物碱药物作为多巴胺受体激动剂,在医药市场上被广泛用来治疗帕金森氏症,这些药物主要有溴麦角环肽(bromocriptine)、培高利特(pergolide)、卡麦角林(cabergoline)等(图1)。如图1所示,麦角生物碱类药物多以麦角酸为核心骨架,经过化学修饰半合成得到[3]。相比于传统的左旋多巴类药物,麦角酸具有更加复杂的环系结构,为药物活性提升和改良提供更多的靶点。因此,麦角酸的获取方式,决定了以麦角酸为先导化合物的帕金森病药物的研发与生产成本,以及该类药物的产量。
目前,麦角酸的获取方式主要有两种:直接化学合成法与天然产物提取加化学处理法。直接化学合成法的合成步骤繁琐,仅核心骨架的合成就需多达三十多步,终产物得率最高仅12%。天然产物提取加化学处理法是目前工业上常用的生产方法。该方法使用C.purpurea大规模感染黑麦或使用特殊的C.purpurea菌株进行浅水静置培养,然后从感染的黑麦或生产菌株中提取天然麦角生物碱,再经过化学转化获得麦角酸。这种方法周期冗长,产量低,菌株容易退化;发酵产物中存在大量的麦角生物碱结构类似物,分离难度大,且严重依赖于化学手段。更重要的是,国内发酵菌株产量低下,国际麦角原料药市场由跨国企业垄断,发达国家设置的菌种专利保护壁垒严重制约了我们对麦角生物碱药物的研发与优化;以尼麦角林为例,龙灯瑞迪制药公司和辉瑞公司占据了大部分市场份额。综上所述,开发麦角酸生产的新方法,是摆脱对国外技术依赖的关键,也是提高生产效率、降低生产与研发成本的核心所在,具有重要科学意义和应用前景。
微生物细胞工厂(Microbial cell factory)是指利用微生物细胞作为生产底盘,通过遗传改造、异源重建生物合成途径等方式,实现目标化合物在微生物细胞中的高效生产。例如,青蒿素每年销售额多达15亿美元,传统的生产方式主要依靠从黄花蒿中直接提取。2003年,美国加州大学伯克利分校Jay D.Keasling教授研究组在Nat.Biotech.上报道了将青蒿素前体紫穗槐-4,11-二烯的生物合成途径构建在大肠杆菌中,紫穗槐二烯产量达到了112mg/L;2013年,他们进一步利用酵母细胞工厂实现了微生物发酵法生产青蒿素前体青蒿酸,然后利用单线态氧成功将青蒿酸转化为青蒿素。在不到100m3的发酵车间可年产青蒿素达35t,相当于近5万亩耕地的种植产量,因此该工作被认为是合成生物学的里程碑工作。又如,吗啡等阿片类药物是临床重要的镇痛药,其生产主要来自于罂粟植物提取,产能较低。美国斯坦福大学的Christina Smolke教授通过功能元件挖掘与优化,将来源于细菌、植物、动物以及酵母的功能基因导入酵母细胞中,重构生物合成途径,实现了吗啡等阿片类植物药的微生物发酵法生产,相关工作发表在Science上,被评为2015年“全球生命科学的十大进展”之一。此外,近几年国内研究者在本领域也取得令世人瞩目的研究成果,先后实现了丹参酮关键前体Miltiradiene、人参皂苷前体原人参二醇等产品的细胞工厂构建与优化。以上案例均表明,构建天然药物的微生物细胞工厂,是当今合成生物学的一个重要的前沿领域,可以有效降低药物生产成本、产生巨大的经济效益,并促进包括帕金森氏症在内的人类疾病的新药研发。
丝状真菌作为真核来源的天然药物生产的细胞工厂底盘,具有独特的优势:①具有内含子剪接系统,可直接表达基因组DNA(gDNA),而不必像大肠杆菌和酿酒酵母那样需要先获取cDNA;②具有磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶(PPTase),可直接表达聚酮和非核糖体肽的生物合成基因;③可表达真菌天然产物的完整生物合成基因簇(十几到几十kb),实现产物的一步异源合成;④初级代谢系统强大,可利用淀粉、蔗糖等廉价碳源,实现对工农业废料的再利用;⑤对生长环境要求宽容,对较大范围的温度、pH与小分子产物具有较强耐受性。目前多种丝状真菌已经成功作为底盘细胞在酶制剂、食品和制药工业被广泛应用,包括构巢曲霉(Aspergillus nidulans)、产黄青霉(Penicillium chrysogenum)、米曲霉(Aspergillus oryzae)和黑曲霉(Aspergillus niger)等。
构巢曲霉(A.nidulans)具有极强的次级代谢产物生产能力,含有56个次级代谢产物生物合成基因簇;并且构巢曲霉原生质体为单核细胞,已经建立了高效的遗传操作体系。Nancy Keller教授、Clay Wang教授和Berl Oakley教授联合改造获得的构巢曲霉突变株LO8030,删除了包括杂色曲霉素(sterigmatocystin)和苔色酸(orsellinic acid)在内的8个主要的次级代谢产物生物合成基因簇,精简了基因组244061bp,极大地降低了代谢产物谱的复杂性,使其成为极有潜力的细胞工厂底盘细胞。本发明涉及微生物工程技术领域,特别涉及菌株及其发酵生产麦角生物碱的应用。本发明以构巢曲霉为底盘细胞,异源重构的麦角生物碱的生物合成途径,获得了9种不同结构的麦角生物碱化合物和2种途径中间体。通过途径优化、前体供应、P450电子传递链优化获得多株麦角生物碱高产菌株。基于上述,本发明实现了在构巢曲霉中异源高产麦角生物碱类化合物。