冯雁研究团队在酵母合成人参皂苷Rh2方面取得突破

近日,国际代谢工程领域重要学术期刊《Metabolic engineering》在线发表上海交通大学生命科学技术学院冯雁教授团队最新研究成果“Biosynthesis of Plant-derived Ginsenoside Rh2 in Yeast via Repurposing a Key Promiscuous Microbial Enzyme”。博士生庄宇和杨广宇副研究员为并列第一作者。

人参皂苷Rh2是药用植物人参中的关键活性组分,具有良好的抗癌、抗氧化活性,在治疗肿瘤、心脑血管疾病等方面具有重要的应用潜力。然而由于人参栽培周期长(5-6年)以及Rh2含量低(0.001%),很难实现规模化生产。应用合成生物学理念,在酵母中构建人参皂苷Rh2的高效合成体系一直是研究热点之一。其中,如何有效发掘、设计和优化关键催化元件-糖基转移酶,以提高人工合成途径适配性等是亟需解决的关键科学问题。

该研究小组巧妙地利用酵母中具有“底物相似性”的甾醇类糖基转移酶UGT51,通过解析其晶体结构,预测对底物结合及催化具有影响的热点区域;采用半理性分子设计(丙氨酸扫描结合热点分区迭代饱和突变)策略,通过双酶耦合显色的高通量筛选平台,获得了比野生型催化效率(kcat/Km)提高30-1800倍的系列突变体;将最优突变体基因引入到人参皂苷Rh2前体生产菌中,所获工程菌的Rh2合成产量比含野生型基因的提高122倍,显示出蛋白质工程技术在消除代谢通路中关键瓶颈方面的突出优势;进一步通过系统代谢工程进行消除产物Rh2降解、提高糖基供体及受体合成等调控,最终工程菌在5-L发酵罐中产量达300mg/L,为目前国际上报道的最高水平。

该研究丰富了植物源天然产物的合成生物学理论和实践,为人工合成途径从异源基因的简单复制(Copy)和转移(Transfer),到精细调控(Fine tuning)和定向适配(Directed adaptation)提供了新思路。

该研究是与中科院天津工业生物技术研究所张学礼课题组合作完成,并得到了上海市科委(15JC1400402)及科技部(2012CB721000)的大力支持。

论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717617300666

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