合成生物学讲述酿酒酵母合成大麻素的故事

合成生物学被称为将是又一次彻底改变世界的机会，是生物学工程化高度交叉的前沿学科研究领域。合成生物学技术的创新与应用，将会给我们现有生活带来颠覆性的变化：想吃牛肉可以不用再养牛，想喝咖啡不用再种咖啡豆, 可以利用 DNA 当磁盘，可以依靠细菌实现环境治理… 听上去新奇而遥远，然而，合成生物学已经悄然来到我们身边。

本期分享萜类化合物生物全合成的经典案例，来自中国科学院深圳先进技术研究院合成生物化学研究中心的罗小舟研究员等在Nature上发表的题为“Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast”的研究论文^[1]，为大家介绍利用合成生物学技术，以酿酒酵母为微生物工厂，半乳糖为原料，实现多种主要大麻素及其衍生物的生物全合成。

专家解读核心信息

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复杂化合物的生物合成面临诸多挑战，需要将合成生物学方法与工程学手段相结合，利用生物自动化设施，实现基于三重四极杆质谱的对目标化合物及代谢中间体的高通量检测；为解析异源底盘细胞工厂复杂的调控机制，利用高分辨率质谱对底盘细胞进行代谢组分析，从而实现代谢流的精准调控，最终实现天然及非天然化合物的高效生物合成。

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大麻素植株提取及化学合成的挑战

大麻因其重要的药用价值，在世界范围内广泛种植和使用，已经有上千年的历史。大麻素作为大麻中主要的一类活性分子，在很多国家和地区，已是批准的处方药，用来治疗癫痫、慢性疼痛等多种疾病。但是，因为大麻的种植和交易在大部分国家和地区都是处于管制状态，这极大的限制了其药用价值的研究。此外，大麻素有着超过 100 种不同的结构，大部分在天然植株中的含量都非常低，通过萃取提纯十分昂贵；并且大麻素复杂的立体构型，也对大规模的化学合成带来了很多挑战。

本研究针对这些挑战，巧妙的利用合成生物学技术在酿酒酵母中完成了大麻素生物合成途径的异源重构，实现了包括大麻萜酚酸（CBGA）、四氢大麻酚酸（THCA）、大麻二酚酸（CBDA）在内的多种天然大麻素及非天然大麻素衍生物的生物全合成。

天然大麻素在酿酒酵母中的生物全合成

图 1 | 酿酒酵母中大麻素生物合成途径构建

研究者通过如下步骤实现了酿酒酵母中大麻素合成途径的构建及重要天然大麻素分子的合成：

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对酿酒酵母自身的甲羟戊酸途径进行改造，引入外源基因并过表达该途径上的关键酶，提高重要中间体香叶基焦磷酸的代谢流量。

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在该菌株中引入合成己酰辅酶A的代谢途径，结合了来自多种不同物种的外源基因；同时引入了大麻中发现的另一个重要中间产物戊基二羟基苯酸（OA）合成的相关基因，实现了 OA 的生物全合成。

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随后，通过生物信息学的方法，挖掘了数种植物的转录组或基因组，寻找能催化利用 OA 和 GPP 生成 CBGA 的关键酶。最终在大麻的转录组中挖掘出了一个编码香叶基转移酶（CsPT4）的基因并将其引入 GPP 和 OA 的高产菌株，最终实现了 CBGA 的生物全合成。通过在该菌种中引入对应的大麻素合成酶，完成了多种不同大麻素从半乳糖开始的生物全合成。

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非天然大麻素及其衍生物的生物合成

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基于上述研究成果，研究者进一步在培养基中添加不同的脂肪酸前体，分析了该代谢途径上的数个酶的底物选择性，发现这些酶可以利用多种不同的前体作为底物。于是通过添加或者生物合成不同的脂肪酸前体，实现了多种非天然大麻素的生物合成。

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利用该途径，研究者在大麻素的分子结构中引入了生物正交的化学反应基团，并展示了可以通过合成化学对其结构进行衍生化，进一步提升了该类化合物所能覆盖的化学空间，进而提高找到具有不同药物活性、受体选择性和药物动力学属性的新型药物的概率。该方法也能对大麻素作用机制的相关研究提供新型工具。

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质谱分析检测生物合成过程中的关键代谢物

在生物合成过程中，对构建途径的精确检测极其重要：无论是目标产物的确定与含量检测，还是外源途径改造与宿主应答的分析，是优化合成设计和确保目标结果的重要前提。本研究中，采用安捷伦 6210 TOF LCMS 及 6545 QTOF LCMS 系统对构建通路涉及的近 50 个中间代谢产物及终产物进行了高效检测。

图 2 | 高分辨质谱对构建途径的代谢产物进行分析

综上所述，本研究通过在酿酒酵母中引入及改造超过 15 个来自不同物种的基因，实现了大麻素及其非天然衍生物的生物全合成，建立起一个生产天然及非天然大麻素的微生物工厂平台，攻克了传统植株提取存在的来源少、含量低、周期长以及人工化学合成过程复杂等各种挑战。本研究的成果为未来更广泛的关于大麻素的相关研究提供了更方便的途径，有望促进针对多种人类疾病的新药研发。此外，本研究也建立起了萜类化合物生物全合成的经典案例，为未来合成生物学相关应用提供了重要的参考。

罗小舟带领团队完成的大麻素生物全合成的开创性成果，引起了广大投资团队的兴趣，成立了森瑞斯生物科技有限公司，搭建合成生物产业化平台， 以实现多种高附加值化合物的高效生物合成。

参考文献：

[1] Xiaozhou Luo, Michael A. Reiter,Jay D. Keasling et al,  Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature, 2019, 567:123.