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羅小舟研究員和Jay. D. Keasling教授課題組在Nature Synthesis上發(fā)表題為Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates的文章。該研究針對現(xiàn)階段植物激素茉莉素在生產(chǎn)上面臨的化學合成難度大、植物提取得率低等挑戰(zhàn)，提出在釀酒酵母中重構(gòu)茉莉素的生物合成途徑，建立微生物細胞工廠以實現(xiàn)高效和綠色生產(chǎn)，為茉莉素在農(nóng)業(yè)及化妝品行業(yè)的規(guī)?；瘧?/span>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(tǒng)稱。作為植物的抗性激素，茉莉素在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和逆境應答過程中有著舉足輕重的作用，被廣泛應用于增產(chǎn)提質(zhì)、抗寒防凍、抵御蟲害等。美國和日本等國家已將茉莉素投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,在改善蘋果、葡萄、柑橘等作物的果實品質(zhì)和防御能力上卓有成效，茉莉素正憑借其強大的抗病蟲害能力躋身于生物農(nóng)藥主力軍的行列。此外，茉莉素還因其特殊的香味，在化妝品領域占據(jù)一席之地。素有“合成茉莉”之稱的二氫茉莉酮酸甲酯作為茉莉素衍生物，是香料界使用最多的產(chǎn)品之一，最早應用于迪奧的“Eau Sauvage”香水，現(xiàn)被用于幾乎所有類型的香水中。一份來自于QYResearch的調(diào)研報告顯示：2025年，全球二氫茉莉酮酸甲酯的市場規(guī)模將達12億元人民幣。茉莉素市場未來可期。
然而，茉莉素主要來源于傳統(tǒng)的植物提取，但植物中的低含量和萃取過程的繁瑣在不同程度上導致生產(chǎn)成本攀升；復雜的立體構(gòu)型，又給化學全合成帶來不少挑戰(zhàn)，生產(chǎn)上的種種困境嚴重限制了茉莉素的規(guī)模化應用。
合成生物學的發(fā)展使得天然產(chǎn)物的異源生產(chǎn)成為可能。自1962年從素馨花中首次發(fā)現(xiàn)并分離茉莉酸甲酯以來，科學家一直致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途徑在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，還涉及中間產(chǎn)物在不同細胞器間的轉(zhuǎn)運：磷脂酶先將 -亞麻酸（ -LeA）從葉綠體膜上釋放； -LeA在葉綠體內(nèi)，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(jīng)過3輪 -氧化生成茉莉酸（JA）；JA在細胞質(zhì)中被轉(zhuǎn)化為下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸異亮氨酸（JA-Ile）等。公認安全的釀酒酵母因含有多種細胞器，被該團隊優(yōu)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(gòu)工作帶來不少挑戰(zhàn)，其中，在酵母中找尋適合中間體 -LeA和OPDA合成的場所，是途徑重構(gòu)首要解決的難題。
在該研究中，研究團隊首先在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。 -LeA在植物的葉綠體中被合成，而酵母缺少葉綠體結(jié)構(gòu)；酵母雖不能從頭合成 -LeA，卻可以在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA的前體。受啟發(fā)于此，該團隊嘗試在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。通過在釀酒酵母中引入克魯維酵母來源的FAD，實現(xiàn) -LeA在酵母的從頭合成（圖2A），但 -LeA的產(chǎn)量僅0.7 mg/L，遠不夠進行下游轉(zhuǎn)化。共聚焦實驗表明，相關基因均成功定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（圖2B）。同時，研究人員還基于改造自由脂肪酸的代謝通路（圖2C），將 -LeA的產(chǎn)量提升至51.2 mg/L（圖2D）。
其次，在酵母的細胞質(zhì)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(zhì)和過氧化物酶體是潛在的候選選項：若在細胞質(zhì)中合成OPDA，后續(xù)需要OPDA轉(zhuǎn)運進過氧化物酶體完成下游轉(zhuǎn)化；若在過氧化物酶體中合成OPDA，則需要底物 -LeA先行轉(zhuǎn)運至過氧化物酶體?？紤]到 -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(zhì)中。首先對不同來源的LOX進行活性篩選（圖3A）和組合表達，將中間體13-HPOT的產(chǎn)量提升至10.8 mg/L（圖3B）。繼續(xù)引入AOS和AOC，成功實現(xiàn)OPDA的生產(chǎn)，產(chǎn)量4.9 mg/L（圖3C和3D）。共聚焦實驗表明，相關基因均成功定位在酵母的細胞質(zhì)（圖3E）。
緊接著，在酵母的過氧化物酶體中合成JA。鑒于植物和酵母在 -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），在過氧化物酶體中成功實現(xiàn)JA的合成，產(chǎn)量達9.6 mg/L（圖4A和4B），進一步飼喂底物 -LeA，JA的產(chǎn)量可達19.0 mg/L。
最后，在酵母的細胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile等衍生物。在產(chǎn)JA的酵母底盤中引入JMT以合成MeJA，產(chǎn)量3.1 mg/L（圖5A和5B）；引入JAR合成JA-Ile，產(chǎn)量7.0 mg/L（圖5C和5D）。
至此，研究團隊成功建立了植物激素茉莉素的酵母細胞工廠。相較于傳統(tǒng)的植物提取，此法在生產(chǎn)上不受時令限制、可規(guī)模化放大，為茉莉素的高效和綠色生產(chǎn)提供了重要的參考。
中國科學院深圳先進院合成生物學研究所羅小舟研究員、Jay. D. Keasling教授和湯紅婷副研究員為本文的共同通訊作者，團隊成員湯紅婷副研究員、林淑敏和鄧吉良為文章并列第一作者。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、廣東省基礎與應用基礎研究基金委、深圳市科技計劃及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。同時，感謝于濤研究員在脂肪酸代謝通路改造研究上的學術討論和寶貴意見；感謝科研助理魏珍琴在項目實施過程中協(xié)助組織會議討論；感謝化學與組學分析平臺為本項目的色譜和質(zhì)譜分析提供強大的硬件支撐。
圖1：茉莉素的生物合成通路。根據(jù)產(chǎn)物類型和合成場所的不同，將茉莉素在酵母中的重構(gòu)途徑分為4個模塊：模塊1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA；模塊2在細胞質(zhì)中合成OPDA；模塊3在過氧化物酶體中合成JA；模塊4在細胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile?；疑硐鄳衔镌谥参镏械暮铣蓤鏊?。
圖2：在酵母內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。
圖3：在酵母細胞質(zhì)中合成OPDA。
圖4：在酵母過氧化物酶體中合成JA。
圖5：在酵母細胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile。
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