天津工業生物所實現玫瑰精油等植物揮發性萜類的高效异源生物合成

在全球疫情的影響下,部分供應鏈的中斷導致了天然玫瑰精油的供應短缺、價格波動大等問題,新的資源保障模式亟需建立。本研究為實現玫瑰精油等植物揮發性萜類的高效异源生物合成奠定了堅實基礎。

植物揮發性萜類(Plant volatile terpenoids,PVTs)是鮮花、水果和蔬菜中風味/香味物質的主要組成成分,其中包括人們熟知的啤酒花精油、檀香油、玫瑰精油等等。PVTs類化合物目前有超過1.8萬種化合物被鑒定(圖1),主要為單萜和倍半萜類化合物,它們在香精香料、醫藥化工、食品加工、農業等眾多領域中有廣泛應用,關聯市場超過200億美元/年。其中玫瑰精油被認為是世界上最昂貴的精油之一,被稱為“精油之後”。然而,玫瑰精油現時的生產主要依賴於敘利亞、土耳其和保加利亞等“一帶一路”國家的花農通過玫瑰種植、採摘後蒸餾選取獲得。這種以農業為基礎的供應鏈對天然玫瑰精油的穩定供應有著極大的風險。在全球疫情的影響下,部分供應鏈的中斷導致了天然玫瑰精油的供應短缺、價格波動大等問題,新的資源保障模式亟需建立。

利用合成生物學科技創建“人工細胞工廠”進行玫瑰精油等PVTs的發酵法生產被認為是一種非常有潜力的管道。為了實現PVTs類化合物的替代生產,中國科學院天津工業生物技術研究所張學禮研究員帶領的微生物代謝工程研究團隊以天然玫瑰精油的發酵生產為案例,首先在釀酒酵母中篩選到代謝截流效果顯著優於經典動態調控啟動子ERG1的功能元件——麥角固醇生物合成途徑中的ERG7啟動子元件。通過ERG7啟動子的應用,以及玫瑰醇生物合成模塊的表達和優化,最終獲得在5 L發酵罐中玫瑰醇的產量能達到6 g/L的工程菌。在此基礎上,香葉醇-玫瑰醇合成模塊、橙花醇合成模塊被綜合到同一底盤菌株中,創建了國際上首個同時生產天然玫瑰精油三種主要單萜組分的“玫瑰酵母”菌株:Rose-Yeast 1.0。在搖瓶發酵中,該菌株單萜總產量達到120 mg/L,組分比例為玫瑰醇(62 %)、香葉醇(27 %)和橙花醇(10 %),與天然大馬士革玫瑰精油中三種組分的比例接近,在國際標準認證ISO 9842,2003範圍內(圖2)。Rose-Yeast 1.0在5 L發酵罐中混合精油產量能達到5 g/L,預計未來綜合成本將節約90 %(其中土地成本節約97 %、人力節約99 %、時間節約98 %)。

在進一步工作中,研究團隊開發了高產單萜(以Cis-GPP和GPP為基本底物)和倍半萜(以FPP為基本底物)的平臺酵母(圖3):在單萜酵母底盤菌株中,單萜化合物橙花醇和芳樟醇的產量分別能達到12 mg/L和9 mg/L,與對照菌株相比,產量分別提升了2100 %和69 %;在倍半萜酵母底盤菌株中,倍半萜化合物橙花叔醇和瓦倫烯的產量分別能達到了900 mg/L和5 mg/L,與對照菌株相比,產量分別提升了336 %和244 %(圖3)。本研究為實現玫瑰精油等植物揮發性萜類的高效异源生物合成奠定了堅實基礎。

研究工作得到合成生物學國家重點研發計畫、國家自然科學基金等項目的支持,相關研究結果已經發表在領域TOP期刊Green Chemistry上,並申請專利4項。天津工業生物所客座碩士研究生李榮生和昆明醫科大學副教授王扣是該論文的共同第一作者,天津工業生物所/國家合成生物技術創新中心張學禮研究員和戴住波研究員為論文的共同通訊作者。

文章連結

圖1:植物揮發性萜類异源合成平臺

圖2:玫瑰精油酵母Rose-Yeast 1.0

圖3:PVTs平臺菌的構建和評估

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資料標籤: 玫瑰精油 生物技術
本文標題: 天津工業生物所實現玫瑰精油等植物揮發性萜類的高效异源生物合成
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656049927687985
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