红景天苷，一种天然植物提取物，以其独特的生物活性而备受关注。作为“植物界的超级分子”，它不仅具有抗疲劳、抗衰老的作用，还能在抗炎、抗肿瘤和保护心血管系统等方面展现强大的潜力。红景天苷广泛应用于食品、保健品、化妆品和药物领域，市场需求日益增长。
然而，红景天苷的主要生产方式——从红景天等植物中提取，受限于植物的生长周期、资源稀缺性以及提取效率，难以满足庞大的市场需求。化学合成虽然能绕过原料问题，但成本高、步骤繁琐，且往往伴随有害废弃物的产生。因此，科学家们将目光转向了更绿色、更高效的微生物发酵技术，希望通过改造微生物，构建从简单原料到目标分子的一体化合成路线。
近日，江南大学周景文团队在这一领域取得了突破性进展，成果发表在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上，题为“Engineering Escherichia coli for Efficient De Novo Synthesis of Salidroside”。
研究人员通过改造大肠杆菌，使其能够从头合成红景天苷，并成功将产量提升至 16.8 g/L，显著超越传统方法的水平。这一研究成果不仅为红景天苷的工业化生产铺平了道路，也为其他天然产物的生物合成提供了宝贵的经验。
要实现红景天苷的高效合成，研究团队分四步解决问题。
第一步是建立酪醇（红景天苷前体）的合成通路，研究团队从酿酒酵母中引入了两种酶——ARO10（苯丙酮酸脱羧酶）和 ADH6（醇脱氢酶），使大肠杆菌能够将葡萄糖分解代谢为酪醇。这一步使大肠杆菌具备了自主生产酪醇的能力。通过敲除部分基因（如 tyrR、pheA），减少了代谢流向其他旁路的分流，提高了酪醇的产量。并引入关键酶，如 aroGfbr、tyrC，进一步加强酪醇的合成能力。最终获得的改良菌株在 72 小时内生产出 3.0 g/L 的酪醇。
然而，团队发现，高浓度的酪醇对细胞生长有显著抑制作用，导致菌体增殖受限。于是为了克服酪醇的毒性，研究团队采用了一种独特的策略——适应性进化，即通过实验室模拟环境压力，筛选出具有耐受性的菌株。将改良菌株暴露在逐步增加的酪醇浓度中，并结合大气压室温等离子体诱变（ARTP）技术加速菌株变异。最终，在多个突变菌株中，筛选出一株酪醇耐受性提高 10% 的菌株（LC10）。这一菌株在酪醇产量提高至 3.3 g/L 的同时，保持了良好的细胞生长状态，为下一步的红景天苷合成奠定了基础。
红景天苷的核心在于酪醇分子上的糖基化反应。为此，研究团队引入了关键植物酶 AtUGT85A1（葡萄糖基转移酶），使大肠杆菌具备了合成红景天苷的能力。通过引入植物酶 AtUGT85A1，并同时过表达大肠杆菌自身的 pgm 和 galU 基因（分别编码磷酸葡萄糖变位酶和 UDP-葡萄糖焦磷酸化酶），显著提高了糖基化反应所需的原料供应。但是，最初的糖基化效率仍较低，主要表现为大量未糖基化的酪醇残留。因此基于酶的三维结构预测，团队对AtUGT85A1酶进行定点突变，筛选出一个突变体（AtUGT85A1A21G）。这一突变体的糖基化效率比野生型提高了 31.2%，显著减少了未反应的酪醇积累。在实验室水平验证成功后，团队进一步扩大生产规模，在 5L 生物反应器中测试新菌株的工业化潜力。通过调节溶氧水平（从 30% 提高到 40%），菌体生长和葡萄糖消耗效率显著提高。红景天苷的产量最终达到 16.8 g/L，是目前报道的最高水平。
图| 5L 生物反应器中表达变异型 UGT85A1A21G 的 W13 菌株在 30% 和40% DO 下红景天苷的产量。（来源：上述论文）
这项研究通过微生物发酵替代植物提取和化学合成，不仅显著提升了效率，还减少了环境影响，顺应了现代工业向绿色化发展的趋势。同时，也为其他天然产物（如抗生素、药物分子）的微生物合成提供了有益参考。关键思路如适应性进化和酶的半理性设计，可以广泛应用于多种分子生产中。
周景文团队的工作不仅为红景天苷产业化生产奠定了基础，更展示了中国科学家在生物技术领域的创新能力和全球视野。可以预见，随着这一研究的深入，不仅红景天苷的市场供应将更加充足，其技术路线也将为更多天然化合物的绿色合成打开新的大门。
1.Engineering Escherichia coli for Efficient De Novo Synthesis of Salidroside,Weizhu Zeng, Huijing Wang, Jianbin Chen, Minglong Hu, Xinru Wang, Jian Chen, and Jingwen Zhou.Journal of Agricultural and Food Chemistry Article ASAP,DOI: 10.1021/acs.jafc.4c10247
2. http://futurefoods.jiangnan.edu.cn/info/1072/2052.htm
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