青蒿素-合成生物学_青蒿素在合成生物学中的研究进展

优化措施： 增加基因的拷贝数、启动子修饰、密码子优化、基因替换、增加辅酶数量、优 化或平衡多基因控制的代谢途径
1.Wu W, Yuan M, Zhang Q, et al. Chemotype-dependent metabolic response to methyl jasmonate elicitation in Artemisia annua [J]. Planta Med, 2011, 77: 1048−1053.
3.3提高底物利用效率
提高青蒿素生物合成特异途径中的途径酶效率, 主要通过 两种方式：提高单个基因效率和优化平衡整条途径来实现 这个目的。 对于单个基因效率的 提高, ： 主要采取增加基因拷 贝数、密码子优化、 强启动子调控和融合 基因等方式。
对于代谢途径的平衡优化： 主要采用一种基于全局的数学 算法和生物信息分析, 如代谢 流控制分析。相对于单个基因 效率的提高, 整条代途径的平 衡优化显得更为困难和复杂, 对最终产物产量的影响也是最 深刻和直接的。
青蒿素在合成生物学中的研究进展
CONTENTS
简介:青蒿素与合成生物学
青蒿素的生物合成主要包括四大步骤 提高工程菌中目的产物产量的措施 工业化研究进展 研究展望 参考文献
Part1 ： 简介:青蒿素与合成生物学
青蒿素(artemisinin)是中国科学家于 20 世纪 70年代从传统中草药青蒿或称 黄花蒿中分离提纯的抗疟有效单体, 其化学本质是含“过氧桥”结构(1,2,4-三噁 烷环)的倍半萜内酯。
3.1通过“开源”方式增加前体供应
青蒿素是 一种Βιβλιοθήκη 半 萜, 其生物 合成包括 两部分。
上游部分 (top pathway) 主 要指倍半萜共同前体 法尼基 焦磷酸（FPP) 的形成。通过 MEP 和MVA 两条途径形成的 FPP 池可以为下游各种半萜以 及甾提供前体物质。
下游部分(bottom pathway) 是青蒿素生物合成的特异途径, 即在 ADS 的竞争作用下, 将上 游途径中形成的 FPP 池中的部 分 FPP 引入青蒿素生物合成代 谢流中。
Part3 ：合成生物学角度： 提高工程菌中目的产物产量的措施
通过“开源”方式增加前体供应
通过“节流”方式增加前体供应 提高底物利用效率 优化培养和生产条件
Han JL, Li ZQ, Ye HC, et al. Molecular cloning, prokaryotic expression, and enzyme activity assay of fps from Artemisia annua strain 00 l [J]. J Agric Univ Hebei (河北农业大学学报), 2008, 31: 71−75.
参与青蒿素合成的特异性酶基因
紫穗槐-4, 11-二烯氧化酶基因 2 0 0 6 年 , 美国的 K e a s l i n g从青蒿腺毛中克隆得到了紫穗槐-4, 11-二烯 氧化酶基因 CYP71AV1。对底物具有特异性, 只能作用于紫穗槐-4, 11-二烯。 细胞色素 P450 还原酶基因 CYP71AV1 是一种 P450 氧化酶, 其不能单独发挥作用, 必须由电子配偶体的配合。 青蒿醛双键还原酶基因 2009 年, Zhang 等从青蒿中分离得到一个双键还原酶, 命名为 Dbr。催化青蒿醛形成二氢青蒿醛,但产物以 11S二氢青蒿醛为主。 醛脱氢酶基因 2009 年, Teoh 等从青蒿中分离得到1个醛脱氢酶基因命名为 Aldh1。ALDH1 能作用于青蒿醛和二氢青蒿醛，生成相应的青蒿酸和二氢青蒿酸。
3.2通过“节流”方式增加前体供应
除了增加法尼基焦磷酸（FPP) 的绝对供应总量之外, 减少 FPP 池中的前体流入其他倍半萜代谢 途径, 促使相对更多的前体流入 青蒿素及其中间体生物合成的特 异途径也是有效提高其产量的方 法。 这些节流措施主要包括：抑 制或下调竞争代谢途径, 从而限 制或减少流入竞争代谢途径中的 FPP 供应。
合成生物学与传统生物学通过解剖生命体 以研究其内在构造的办法不同，合成生物 学的研究方向完全是相反的，它是从最基 本的要素开始一步步建立零部件。与基因 工程把一个物种的基因延续、改变并转移 至另一物种的作法不同，合成生物学的目 的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。
青蒿素的生物合成主要包括四大步骤
由于从青蒿酸/ 第三步是在紫穗槐 二氢青蒿酸形成青 4, 11- 二烯氧化酶 蒿素的途径不是很 （AMO）的作用下, 清楚 ,现在通过合成 紫穗槐 -4, 11-二烯 生物学技术制备青 进一步被氧化形成 蒿素的研究绝大部 青蒿醇、青蒿醛, 分采用的都是一种 进而合成青蒿酸和/ 半合成的路线。即 或二氢青蒿酸 通过代谢工程制备 青蒿素的前体如紫 第四步是青蒿酸和 穗槐 -4, 11-二烯、 或二氢青蒿酸通过 青蒿酸和二氢青蒿 一系列酶反应和或 酸 ,然后通过半合成 非酶反应形成青蒿 的方法合成青蒿素 素
Part2 ：青蒿素的生物合成主要包括 四大步骤
第一步是通过甲羟戊酸途径和非甲羟戊酸两条途径 形成法尼基焦磷酸（FPP)
第二步是在紫穗槐-4, 11-二 烯合酶（ADS）的作用下将 FPP 环化形成青蒿素的中间 体紫穗槐-4, 11-二烯
Zhang ZR, Liao ZH, Peng MF. Cloning and functional analyses of HDS gene from Artemisia annua [J]. Chin Tradit Herb Drugs (中草药), 2012, 43: 148−154.
通过合成生物学技术来制备青蒿素, 利用细胞工厂将是未来青蒿素生产的主要方式。
1.Bouwmeestera HJ, Wallaartb TE, Janssena MH A, et al. Amorpha-4, 11-diene synthase catalyses the first probable step in artemisinin biosynthesis [J]. Phytochemistry, 1999, 52: 843−85