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深圳先進院實現植物激素茉莉素在釀酒酵母的異源從頭合成

2023-11-20 09:23:08 來源：中國科學院 閱讀量：9725

　　11月14日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所研究員羅小舟和教授Jay. D. Keasling課題組，在《自然-合成》(Nature Synthesis)上，發表了題為Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates的研究文章。該研究針對現階段植物激素茉莉素在生產上面臨的化學合成難度大、植物提取得率低等挑戰，提出在釀酒酵母中重構茉莉素的生物合成途徑，建立微生物細胞工廠以實現高效和綠色生產，為茉莉素在農業等方面的規模化應用鋪平道路。
 
　　茉莉素(jasmonates)是茉莉酸及其衍生物茉莉酸甲酯、茉莉酸異亮氨酸等的統稱。作為植物的抗性激素，茉莉素在調節植物生長發育和逆境應答過程中具有重要作用，被廣泛應用于增產提質、抗寒防凍、抵御蟲害等。然而，茉莉素主要來源于傳統的植物提取，但植物中的低含量與萃取過程的繁瑣在不同程度上導致生產成本攀升；復雜的立體構型，給化學全合成帶來挑戰，生產上的困境限制了茉莉素的規模化應用。
 
　　自1962年從素馨花中首次發現并分離茉莉酸甲酯以來，科學家致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途徑于2012年問世。茉莉素在植物中的合成過程較為復雜、通路長、酶促類型多樣，并涉及中間產物在不同細胞器間的轉運【磷脂酶先將α-亞麻酸(α-LeA)從葉綠體膜上釋放；α-LeA在葉綠體內，由多酶復合體催化形成12-氧代-植物二烯酸(OPDA)；OPDA在過氧化物酶體中，經過3輪β-氧化生成茉莉酸(JA)；JA在細胞質中被轉化為下游衍生物茉莉酸甲酯(MeJA)、茉莉酸異亮氨酸(JA-Ile)等】。一般認為的安全的釀酒酵母因含有多種細胞器，被該團隊優先選擇為茉莉素異源從頭合成的微生物底盤。合成途徑的復雜度為重構工作帶來了挑戰。其中，在酵母中找尋適合中間體α-LeA和OPDA合成的場所，是途徑重構首要解決的難題。
 
　　該研究在酵母的內質網中合成α-LeA。α-LeA在植物的葉綠體中被合成，而酵母缺少葉綠體結構；酵母雖不能從頭合成α-LeA，卻可以在內質網中合成α-LeA的前體。受到上述研究的啟發，該團隊嘗試在酵母的內質網中合成α-LeA。研究通過在釀酒酵母中引入克魯維酵母來源的FAD，實現了α-LeA在酵母的從頭合成，但α-LeA的產量僅0.7 mg/L，遠不夠進行下游轉化。共聚焦實驗表明，相關基因均成功定位在內質網。同時，研究基于改造自由脂肪酸的代謝通路，將α-LeA的產量提升至51.2 mg/L。
 
　　進一步，該團隊在酵母的細胞質中合成OPDA。OPDA在植物的葉綠體中被合成，同樣需要在酵母中尋找適合OPDA合成的場所。細胞質和過氧化物酶體是潛在的候選選項：若在細胞質中合成OPDA，后續需要OPDA轉運進過氧化物酶體完成下游轉化；若在過氧化物酶體中合成OPDA，則需要底物α-LeA先行轉運至過氧化物酶體。考慮到α-LeA在過氧化物酶體中被降解的可能性，該團隊嘗試將OPDA合成途徑(LOX、AOS和AOC)定位至酵母的細胞質中。該團隊對不同來源的LOX進行活性篩選和組合表達，將中間體13-HPOT的產量提升至10.8 mg/L。該研究繼續引入AOS和AOC，實現OPDA的生產，產量達4.9 mg/L。共聚焦實驗表明，相關基因均成功定位在酵母的細胞質。
 
　　該研究在酵母的過氧化物酶體中合成JA。鑒于植物和酵母在β-氧化過程上的相似性，該研究直接模仿植物中JA的合成過程，在酵母中引入保留了自身過氧化物酶體定位肽的相關酶(OPR、ACS、ACX、MFP和KAT)，在過氧化物酶體中實現JA的合成，產量達9.6 mg/L；進一步飼喂底物α-LeA，JA的產量可達19.0 mg/L。
 
　　該團隊在酵母的細胞質中合成MeJA和JA-Ile等衍生物。研究人員在產JA的酵母底盤中引入JMT以合成MeJA，產量達3.1 mg/L；引入JAR合成JA-Ile，產量達7.0 mg/L。
 
　　上述研究建立了植物激素茉莉素的酵母細胞工廠。相較于傳統的植物提取，此法在生產上不受時令限制、可規模化放大，為茉莉素的高效和綠色生產提供了重要參考。
 
　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科技計劃和深圳合成生物學創新研究院等的支持。

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