利用酿酒酵母细胞工厂合成稀有人参皂苷Rh2取得新进展

1月15日,《Cell Discovery》杂志在线发表了中科院分子植物卓越中心/植物生理生态研究所中科院合成生物学重点实验室周志华研究组题为“Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency”的研究论文。
人参皂苷是我国传统名贵药材人参中的主要活性成分,其中稀有人参皂苷Rh2被广泛报道具有促进肿瘤细胞凋亡和抑制肿瘤细胞增殖、侵袭和转移等活性,并有助于提高免疫力,有望成为癌症预防和治疗的候选药物。然而由于人参皂苷Rh2含量极低(不到人参根干重的0.01%),目前商业化的人参皂苷Rh2主要通过从人参属植物中提取总皂苷,进一步采用化学或生物法脱糖基将总皂苷中其它原人参二醇型皂苷转化为人参皂苷Rh2。该方法依赖于人参属植物的栽培(人参属植物栽培周期长,易于遭受虫害,并具有连作障碍),所以成本极高,而且下游分离工艺复杂,造成了人参皂苷Rh2价格居高不下,极大地限制了其开发与应用。并且,从大量的人参资源中获得微量的人参皂苷Rh2,也会造成资源的极大浪费。
合成生物学技术的应用已实现利用微生物发酵从头合成多种稀有活性天然产物。在前期工作中(Wang et al Metab. Eng. 2015)研究组完成了稀有人参皂苷Rh2合成途径关键UGTPg45元件的功能鉴定,首次完整解析了稀有人参皂苷Rh2的合成途径。在此基础上,研究组构建了利用单糖发酵从头合成Rh2的第一代酿酒酵母细胞工厂。然而,由于PPD前体合成效率低以及UGT元件与底盘适配性不足等问题,导致Rh2合成效率很低(16.9 mg/L)。
为进一步提高Rh2合成效率,针对第一代细胞工厂存在的问题,该研究首先重新设计与构建了第二代PPD底盘细胞,通过系统强化MVA途径以及优化细胞色素P450的表达使PPD产量提高7.5倍以上,达到529.0 mg/L,通过发酵优化PPD产量达到11.0 g/L。基于这一新的底盘,该研究又对PPD向Rh2转化的一步糖基化反应进行了系统优化,包括启动子和拷贝数调节提高UGT在底盘中的表达效率、定向优化提高野生型UGTPg45与底盘细胞适配性、从其他物种筛选可合成Rh2的优质UGT元件等。最终通过对这些策略的有效结合,使Rh2产量提高近10倍,达到179.3 mg/L,在10-L 发酵罐中产量达到2.2 g/L。该产量不仅是目前已报道的通过微生物发酵合成Rh2最高产量,而且相比现有的基于植物提取和微生物转化的Rh2制备工艺也具有了明显的成本优势。
该研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部、上海市自然科学基金和中国科学院等项目的资助。
中科院上海植生所利用酿酒酵母细胞工厂合成稀有人参皂苷Rh2取得新进展

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