创立了“功能基因挖掘-生物合成途径解析-合成生物学生产”的中药合成生物学研究新模式

中医药是中华民族的瑰宝，数千年来为中华民族的繁衍昌盛做出了重要贡献，而中药活性成分作为中医药发挥疗效的药效物质基础，如黄花蒿中抗疟疾成分青蒿素、麻黄中具有发汗平喘作用的麻黄素等，在中医药防病治病过程中起着不可或缺的作用。目前，中药活性成分多数从药用植物中直接提取分离，随着新药开发及中药产业化对单体活性成分的需求增大，这种中药活性成分获取方式不仅难以满足日益增长的需求，而且势必会对中药资源及环境造成不可逆的破坏。近年来，课题组通过比较转录组学挖掘丹参中脂溶性丹参酮类活性成分生物合成候选关键基因，克隆了丹参酮生物合成途径中2条新全长基因SmCPS、Sm KSL；SmCPS是被子植物中首个被鉴定的（+）-CPP合成酶基因，Sm KSL编码蛋白则催化（+）-CPP形成新的二萜烯（命名为次丹参酮二烯，miltiradiene）；由此克隆鉴定了丹参酮生物合成关键酶基因并阐明了其合成过程中立体化学构型，发现了一条丹参酮生物合成特有的二萜生物合成新途径。在此基础上，采用合成生物学策略，建立了“基因模块途径工程”方法，显著提高酵母中代谢途径快速组装效率，并通过设计模块组合方式，系统考虑途径中涉及的前体供给、限速步骤、底物传输和代谢流分配等问题，对编码SmCPS、Sm KSL、法呢基焦磷酸合酶（ERG20）、GGPP合酶（BTS1）和 HMG-Co A还原酶（HMG1）等5个蛋白的基因进行了操作，最优的工程菌株在15-L发酵罐中培养，次丹参酮二烯产量达到365 mg/L的国际先进水平。得到的菌株材料不仅可用于制备次丹参酮二烯，而且对设计和改造萜类化合物代谢途径具有重要的借鉴意义。系列研究成果发表在JACS、PNAS、New Phytologist、Organic letters等国际知名杂志，得到国内外著名科学家引用和正面评价。由此，通过对丹参中丹参酮类活性成分研究，创立了中药有效成分“功能基因挖掘-生物合成途径解析-合成生物学生产”的中药基因资源发掘保护、高效获取的中药合成生物学研究新模式，并在中药合成生物学研究新模式指导下，开展了人参皂苷、β-榄香烯、雷公藤甲素、穿心莲内酯等中药活性成分研究，取得了重要研究成果。这对于揭示中药活性成分形成分子机制、发掘保护我国重要药用植物基因资源、遗传育种及其萜类活性成分“微生物细胞工厂”生产等具有重要的科学意义和应用价值，并为中药资源可持续利用提供新的研究策略和有效途径，提升了中药资源学科研究和转化应用水平。