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天津工业生物所实现玫瑰精油等植物挥发性萜类的高效异源生物合成
  发布时间:2021-08-02    供稿部门:微生物代谢工程研究组

  植物挥发性萜类(Plant volatile terpenoidsPVTs)是鲜花、水果和蔬菜中风味/香味物质的主要组成成分,其中包括人们熟知的啤酒花精油、檀香油、玫瑰精油等等。PVTs类化合物目前有超过1.8万种化合物被鉴定(图1),主要为单萜和倍半萜类化合物,它们在香精香料、医药化工、食品加工、农业等众多领域中有广泛应用,关联市场超过200亿美元/年。其中玫瑰精油被认为是世界上最昂贵的精油之一,被称为精油之后。然而,玫瑰精油目前的生产主要依赖于叙利亚、土耳其和保加利亚等一带一路国家的花农通过玫瑰种植、采摘后蒸馏提取获得。这种以农业为基础的供应链对天然玫瑰精油的稳定供应有着极大的风险。在全球疫情的影响下,部分供应链的中断导致了天然玫瑰精油的供应短缺、价格波动大等问题,新的资源保障模式亟需建立。  

  利用合成生物学技术创建“人工细胞工厂”进行玫瑰精油等PVTs的发酵法生产被认为是一种非常有潜力的方式。为了实现PVTs类化合物的替代生产,球探网开户网址天津工业生物技术研究所张学礼研究员带领的微生物代谢工程研究团队以天然玫瑰精油的发酵生产为案例,首先在酿酒酵母中筛选到代谢截流效果显著优于经典动态调控启动子ERG1的功能元件——麦角固醇生物合成途径中的ERG7启动子元件。通过ERG7启动子的应用,以及玫瑰醇生物合成模块的表达和优化,最终获得在5 L发酵罐中玫瑰醇的产量能达到6 g/L的工程菌。在此基础上,香叶醇-玫瑰醇合成模块、橙花醇合成模块被整合到同一底盘菌株中,创建了国际上首个同时生产天然玫瑰精油三种主要单萜组分的玫瑰酵母菌株:Rose-Yeast 1.0。在摇瓶发酵中,该菌株单萜总产量达到120 mg/L,组分比例为玫瑰醇 (62 %)、香叶醇 (27 %)和橙花醇 (10 %),与天然大马士革玫瑰精油中三种组分的比例接近,在国际标准认证ISO 9842, 2003范围内(图2)。Rose-Yeast 1.05 L发酵罐中混合精油产量能达到5 g/L,预计未来综合成本将节约90 %(其中土地成本节约97 %、人力节约99 %、时间节约98 %)。  

  在进一步工作中,研究团队开发了高产单萜(以Cis-GPPGPP为基本底物)和倍半萜(以FPP为基本底物)的平台酵母(图3):在单萜酵母底盘菌株中,单萜化合物橙花醇和芳樟醇的产量分别能达到12 mg/L9 mg/L,与对照菌株相比,产量分别提升了2100 %69 %;在倍半萜酵母底盘菌株中,倍半萜化合物橙花叔醇和瓦伦烯的产量分别能达到了900 mg/L5 mg/L,与对照菌株相比,产量分别提升了336 %244 %(图3)。本研究为实现玫瑰精油等植物挥发性萜类的高效异源生物合成奠定了坚实基础。    

  研究工作得到合成生物学国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持,相关研究结果已经发表在领域TOP期刊Green Chemistry上,并申请专利4天津工业生物所客座硕士研究生李荣生和昆明医科大学副教授王扣是该论文的共同第一作者,天津工业生物所/国家合成生物技术创新中心张学礼研究员和戴住波研究员为论文的共同通讯作者。 

  文章链接 

图1: 植物挥发性萜类异源合成平台

图2:玫瑰精油酵母Rose-Yeast 1.0

图3:PVTs平台菌的构建和评估

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