大化所植物源萜类化合物的合成生物学研究取得进展

2012年2月22日 08:34:41 来源: 中国科学院
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植物源萜类化合物的合成生物学取得新进展

  近日,中科院大连化学物理研究所赵宗保研究员领导的生物质高效转化研究组(1816组)在植物源萜类化合物的合成生物学研究方向取得新进展,成果以全文形式发表在最新一期的《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(6): 3234–3241)。

  中药丹参的活性成分——丹参酮类化合物为一系列松香烷类去甲二萜醌类化合物,目前主要通过从丹参根茎中提取得到,产量低,需要消耗大量药材。由于提取物成份复杂,不利于阐明药效机制和新药研发。因此,解析丹参酮的生物合成途径,进行单一化合物的异源生产,具有重要科学意义和应用价值。中国中医科学院中药研究所黄璐琦研究员团队此前鉴定了两个酶SmCPS和SmKSL,具有转化香叶基香叶基焦磷酸(GGPP)合成丹参酮前体二萜化合物次丹参酮二烯的功能,并发现这两个蛋白可能存在分子间相互作用。

  在杨胜利院士建议下,大连化物所赵宗保研究员与黄璐琦研究员合作,以丹参酮为目标,开展合成生物学理念指导下的萜类化合物异源生物合成研究。科研人员建立了“模块途径工程”策略,可在酵母细胞中快速组装代谢途径。在此基础上,通过设计模块组合方式,系统考虑途径中涉及的前体供给、限速步骤、底物传输和代谢流分配等问题,对编码SmCPS、SmKSL、法呢基焦磷酸合酶、GGPP合酶和甲羟戊酸还原酶等五个蛋白的基因进行了操作,最优的工程菌株在15-L发酵罐中培养,次丹参酮二烯产量达到365mg/L的国际先进水平。

  在该项研究中,大连化物所李国辉研究员领导的分子模拟与设计研究组(1106组)对SmCPS和SmKSL融合蛋白的结构进行了分子模拟,发现不同融合方式导致催化中心空间距离差异,为解释代谢途径的性能提供了理论支持。

  本工作得到的菌株不仅可用于制备次丹参酮二烯,奠定了进一步解析丹参酮生物合成途径的基础,而且对设计和改造萜类化合物代谢途径,生产液体生物燃料和其他高值生物基化学品具有重要借鉴意义。

  该研究得到了国家自然科学基金委和大化所科研创新基金的资助。