植物代謝工程助力萜類藥物合成：脅迫因子、基因工程與全局調控

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萜類藥物是最重要的一類天然產物藥物，在自然界中目前已經發現了四萬多種萜類藥物，其中包括青蒿素、紫杉醇、人蔘皂甙等大量為人們所熟知的抗癌、抗瘧疾、抗心血管疾病和老年痴呆症的藥物。

萜類是一種重要的植物次生代謝產物，是植物抵抗病蟲害和環境脅迫的一些免疫因子和毒素因子，因此並不能夠在自然界中大量獲得——因此，通過代謝工程來進行生產就成了顯而易見的策略，諸如在微生物底盤中進行的青蒿酸的生物合成：

喵大俠：中藥現代化的策略淺析——以青蒿素合成為例（上）

然而，並不是每一種植物次生代謝產物的合成途徑都是明確的，我們通常難以完整的獲知整條代謝途徑上每一個反應具體的催化酶，此外微生物底盤也經常受許多因素限制而無法準確產生我們想要的代謝產物。

因此，通過植物代謝工程的手段去生產萜類藥物是一個重要的課題，目前正在建立的包括地錢、小立碗蘚、萊茵衣藻、藍藻在內的多種植物和藻類底盤也為植物本身生物量的弱勢提供了一個突破口。

值得注意的是，植物代謝工程生產的具體形式有以下四種（實際上就是發酵和大田種植兩種），通常青蒿、煙草、水稻之類的產物積累在葉片或種子中的採用大田種植的方法，反之人蔘、小立碗蘚等常用發酵的方法，而藻類等甚至可以（需要）採用光發酵。

通過成本較高的發酵培養，可以實現在可控的條件下收穫產品，同時生產周期更短。

通常有以下策略被應用在植物代謝工程當中：

1. 脅迫誘導因子：模擬自然脅迫，「欺騙」植物產生次生代謝產物，由於要擴大生產規模，因此，通常採用植物內生病原體、易於工業生產的植物激素和重金屬鹽來作為誘導因子。
2. 基因工程（代謝工程）：針對代謝過程中的酶進行基因工程操作，對關鍵限速酶進行過表達、對競爭性途徑進行敲除，亦或將部分途徑整體轉移到另一植物底盤，都是常見的手段。
3. 全局代謝調節：該策略是誘導因子策略的延伸——當我們了解病原體和植物激素、重金屬鹽究竟是如何影響植物（實際上是如何影響了一些植物的轉錄因子）之後，我們可以特異性地通過基因工程手段模仿甚至強化這種影響（即過表達一些轉錄因子或激素合成）；此外，我們還可以整體提高上游代謝的Input來提高下游的Output，在萜類合成中其實就是提高上游的糖酵解水平（或MEP的合成水平）來提高輸入萜類異戊二烯合成途徑的乙醯輔酶A或DXP（三磷酸甘油醛和丙酮酸）；

在詳解這三種策略之前，先讓我們來看一下萜類合成的三個主要階段：

第一階段，是前體異戊二烯的生成：

第一階段產生了大量的IPP和DMAPP，且兩者之間可以通過IDI酶相互轉化。

第二階段，是萜烯類碳骨架的形成，主要包括C10、C15、C20、C30、C40。

第三階段是第二階段產生的一系列線性萜烯類化合物的變構和修飾：

首先，是脅迫誘導因子的一些例子：

生物誘導因子是十分有效的，可以看到，最高的紫杉醇的含量甚至在加入內共生的鐮刀菌後提高了38倍；非生物誘導因子包括以無機化合物為主，如硫酸銅，硝酸銀等。

①如用氯化鎘、硝酸銀、氯化銅、氯化汞等可提高穿心蓮懸浮培養液中穿心蓮內酯的含量。其中氯化鎘處理的效果最好，使產量提升了4.2倍。

②利用偏釩酸鈉、偏釩酸銨、硫酸鎳、硫酸礬、硫酸銅、硫酸錳等重金屬鹽可誘導人蔘皂苷合成。其中釩酸鹽處理效果最好，使產量提升至5.6mg/g DW。

究其原理是因為釩酸鹽處理可誘導內源JA生物合成，上調SQS、角鯊烯環氧化酶（SE）和丹馬烯二醇-II合成酶（DS）基因的轉錄水平。

植物次生代謝途徑的複雜性是該策略的主要問題，我們很難獲得完整解析的一整條途徑以及在敲除某些基因後存在一些未被發現的同工酶的問題。尤其是對於一些難以進行轉化的藥用植物，將代謝途徑轉移到植物底盤中進行表達是一種非常重要的策略。

本文部分參考了唐克軒老師2016年的綜述文章：

Plant Metabolic Engineering Strategies for the Production of Pharmaceutical Terpenoids

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