硅藻 “变身” 生物工厂：大麻素生物合成的探索与挑战

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Impact of heterologous expression of Cannabis sativa tetraketide synthase on Phaeodactylum tricornutum metabolic profile

为解决传统大麻植物提取大麻素面临的监管、环境和产量问题，研究人员开展了在硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）中异源表达大麻四酮合酶（CsTKS）的研究。结果显示，虽成功表达相关基因，但未检测到橄榄酸（OA）积累，且发现代谢变化。该研究为大麻素的可持续生产提供了新方向。

　　在当今生物医学领域，大麻素因其独特的药用价值备受瞩目。它能与人体的内源性大麻素系统相互作用，在治疗多种疾病方面展现出巨大潜力，比如对抗阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病。然而，传统从大麻植物中提取大麻素的方式困难重重。一方面，大麻种植受到严格的监管，限制了其大规模生产；另一方面，大麻素在植物中的产量有限，且提取和纯化过程复杂，成本高昂。这些问题严重阻碍了大麻素的广泛应用，因此寻找一种高效、可持续的大麻素生产方法迫在眉睫。

在这样的背景下，来自加拿大魁北克大学三河分校（Université du Québec à Trois-Rivières）的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们将目光投向了硅藻这一独特的生物资源，希望借助其高效的光合作用和丰富的代谢途径，构建一个能够生产大麻素的生物工厂。研究人员选择三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）作为研究对象，通过基因工程技术，将大麻中的四酮合酶（Tetraketide synthase，TKS）和橄榄酸环化酶（Olivetolic acid cyclase，OAC）基因导入其中，试图实现橄榄酸（Olivetolic acid，OA）的合成，OA 是大多数大麻素的关键代谢前体。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：首先是基因工程技术，将编码 TKS 和 OAC 的基因克隆到附加体质粒载体上，并通过细菌结合的方式导入三角褐指藻中；其次利用蛋白质免疫印迹（Western blot）技术检测异源蛋白的表达；还运用了酶活性检测、高效液相色谱 - 二极管阵列检测（HPLC-DAD）以及非靶向代谢组学分析等技术，对酶活性、OA 产量以及代谢物变化进行检测和分析 。

研究结果如下：

• 异源蛋白表达验证：研究人员成功构建了表达 CsTKS 和 CsOAC 的质粒，并将其导入三角褐指藻野生型菌株。通过质粒拯救、测序和蛋白质免疫印迹分析，证实了这些基因在三角褐指藻中的成功表达。部分转结合子中检测到了预期大小的蛋白条带，尽管部分质粒存在序列替换，但抗性基因仍保持功能，且异源表达并未影响菌株的生长。
• 酶活性与 OA 积累检测：对含有 CsTKS 和 CsOAC 的蛋白提取物进行酶活性检测，结果显示，单独或组合检测时，均未检测到与 OA 标准品对应的峰，即便尝试纯化蛋白，OAC 的纯化也未成功，这表明可能存在内源性代谢途径利用关键底物或中间体，导致 OA 无法积累。
• 代谢组学分析：为探究 CsTKS 表达对硅藻代谢组的影响，研究人员进行了非靶向代谢组学分析。结果发现，pTKS 转结合子与空载体（EV）对照相比，代谢物谱存在显著差异。pTKS 转结合子中检测到 160 种在 EV 中不存在的代谢物，同时有 48 种代谢物在所有 pTKS 转结合子中均发生显著变化，涉及芳香族代谢物、氨基酸代谢物等多种类型。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，虽然成功在三角褐指藻中表达了大麻素生物合成基因，但 OA 积累存在挑战，这可能是由于内源性代谢相互作用所致。这一发现揭示了硅藻代谢工程的复杂性，也表明需要进一步优化代谢途径和分析代谢通量，以实现高效的大麻素生物合成。此外，研究还发现 CsTKS 的表达会诱导三角褐指藻的代谢变化，影响莽草酸途径、核苷酸代谢和氨基酸代谢等关键代谢途径。这些研究结果为后续大麻素的生物合成研究提供了重要的理论基础，也为利用硅藻作为生物工厂生产高价值化合物开辟了新的方向。该研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》杂志上，为该领域的研究提供了新的思路和参考，有望推动大麻素生物合成技术的进一步发展，为解决大麻素生产面临的困境提供新的解决方案。