周志华研究组在人参和三七皂苷生物合成研究中取得新进展

　　

　　2021年4月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室周志华研究员团队在人参和三七皂苷生物合成研究中接连取得突破，完成了三七皂苷R1与R2合成途径的解析，并通过创建酵母细胞工厂实现了人参皂苷Rg1、三七皂苷R1与R2的从头生物合成，产量均达到1 g/L以上（Metabolic Engineering, 2021）。此外，通过对稀有人参皂苷CK酵母细胞工厂的糖基供体UDP-Glucose的供给及合成途径关键元件的表达进行了系统优化，使CK产量突破了5.7 g/L（Synthetic and Systems Biotechnology，2021）。

　　人参和三七是传统名贵药材，其主要活性成分为萜类化合物人参皂苷和三七皂苷。人参和三七皂苷在人参属植物中含量低，尤其是稀有皂苷，通常不到干重的万分之一。而传统的皂苷制备方法大多直接从人参属植物中提取，高度依赖于植物的培育种植，不仅周期长，而且提取与纯化工艺复杂、成本高。合成生物学技术的诞生为稀有天然化合物的从头合成提供了全新的思路。在前期工作中，该团队通过对人参属植物转录组数据的重拼接与生物元件的挖掘，相继完成了人参皂苷CK （Cell research，2014），Rh2和Rg3 （Metabolic engineering，2015）以及F1和Rh1（Molecular plant，2015）系列稀有人参皂苷的生物合成途径解析，并创建了酵母细胞工厂，实现了上述稀有人参皂苷的从头合成。2020年该团队继续对来自三七和人参的UGT94家族的系列糖基转移酶进行深入挖掘与功能鉴定，获得了参与催化人参皂苷糖链延伸的系列糖基转移酶，系统解析了近20个人参、三七和绞股蓝皂苷的生物合成途径（Scientific reports，2020）。

　　近期该团队从人参和三七中鉴定了10个可以催化Rg1和Rh1的C6位葡萄糖残基上延伸木糖的糖基转移酶，完成了三七皂苷R1和R2的合成途径解析。基于团队前期构建的高产原人参二醇（PPD）的酵母底盘 （Cell discovery，2019），通过导入经过随机突变和同源建模组合优化的细胞色素P450 (CYP450) CYP716A53v2，获得了高产原人参三醇（PPT）的酵母菌株，其产量可达5.0 g/L。在高产PPT底盘基础上，通过导入课题组前期鉴定的2个糖基转移酶（PgUGT71A53和PgUGT71A54），分别催化PPT的C6位和C20位羟基的糖基化，构建了从头合成人参皂苷Rg1的酵母细胞工厂，其产量为1.95 g/L。由于酵母体内缺乏糖基供体UDP-xylose的生物合成途径，该团队通过异源表达拟南芥来源的UDP-xylose合成模块（AtUGD1和AtUXS），并共表达新鉴定的糖基转移酶PgUGT94Q13，在高产Rg1的酵母底盘中合成三七皂苷R1，其产量为1.62 g/L。与此同时，在高产PPT的酵母底盘中，通过共表达UDP-xylose合成模块、糖基转移酶PgUGT94Q13及PgUGT71A54，构建了高产三七皂苷R2的细胞工厂，其产量为1.25 g/L。相关研究成果以“High-level sustainable production of the characteristic protopanaxatriol-type saponins from Panax species in engineered Saccharomyces cerevisiae”为题，于2021年4月15日发表在Metabolic Engineering期刊上。中国科学院分子植物科学卓越创新中心硕博连读生李晓东和王引梅为该论文的并列第一作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2021.04.006。

　　此外，UDP-glucose供给不足是限制微生物细胞工厂中异源合成皂苷类化合物高产的普遍性问题。结合“开源节流”策略，一方面通过系统强化细胞内UDP-glucose的合成途径，另一方面通过弱化细胞内UDP-glucose的消耗途径，强化了该团队前期构建的PPD高产酵母底盘的UDP-glucose供给水平。利用该酵母底盘细胞，将CK的产量提高到5.7 g/L，达到了经济可行水平。相关研究成果以“Systematic optimization of the yeast cell factory for sustainable and high efficiency production of bioactive ginsenoside Compound K”为题，于2021年3月21日发表在Synthetic and Systems Biotechnology期刊上。中国科学院分子植物科学卓越创新中心助理研究员王平平为该论文的第一作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.synbio.2021.03.002。

　　基于以上研究成果，该团队在人参和三七皂苷的生物合成方面形成了从生物合成路线探索、合成元件挖掘表征、细胞工厂One-Port合成到元件途径优化和产物产量提高的合成生物学创新链。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导等项目的资助。

创建酵母细胞工厂高效合成稀有人参皂苷CK (a) 和三七特征皂苷Rg1，NgR1和NgR2 (b)