中科院上海植生所利用釀酒酵母細胞工廠合成稀有人蔘皂苷Rh2取得新進展

1月15日，《Cell Discovery》雜誌在線發表了中科院分子植物卓越中心/植物生理生態研究所中科院合成生物學重點實驗室周志華研究組題為「Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency」的研究論文。

人蔘皂苷是我國傳統名貴藥材人蔘中的主要活性成分，其中稀有人蔘皂苷Rh2被廣泛報導具有促進腫瘤細胞凋亡和抑製腫瘤細胞增殖、侵襲和轉移等活性，並有助於提高免疫力，有望成為癌症預防和治療的候選藥物。然而由於人蔘皂苷Rh2含量極低（不到人蔘根乾重的0.01%），目前商業化的人蔘皂苷Rh2主要通過從人蔘屬植物中提取總皂苷，進一步採用化學或生物法脫糖基將總皂苷中其它原人蔘二醇型皂苷轉化為人蔘皂苷Rh2。該方法依賴於人參屬植物的栽培（人蔘屬植物栽培周期長，易於遭受蟲害，並具有連作障礙），所以成本極高，而且下遊分離工藝複雜，造成了人蔘皂苷Rh2價格居高不下，極大地限制了其開發與應用。並且，從大量的人蔘資源中獲得微量的人蔘皂苷Rh2，也會造成資源的極大浪費。

合成生物學技術的應用已實現利用微生物發酵從頭合成多種稀有活性天然產物。在前期工作中（Wang et al Metab. Eng. 2015）研究組完成了稀有人蔘皂苷Rh2合成途徑關鍵UGTPg45元件的功能鑒定，首次完整解析了稀有人蔘皂苷Rh2的合成途徑。在此基礎上，研究組構建了利用單糖發酵從頭合成Rh2的第一代釀酒酵母細胞工廠。然而，由於PPD前體合成效率低以及UGT元件與底盤適配性不足等問題，導致Rh2合成效率很低（16.9 mg/L）。

為進一步提高Rh2合成效率，針對第一代細胞工廠存在的問題，該研究首先重新設計與構建了第二代PPD底盤細胞，通過系統強化MVA途徑以及優化細胞色素P450的表達使PPD產量提高7.5倍以上，達到529.0 mg/L，通過發酵優化PPD產量達到11.0 g/L。基於這一新的底盤，該研究又對PPD向Rh2轉化的一步糖基化反應進行了系統優化，包括啟動子和拷貝數調節提高UGT在底盤中的表達效率、定向優化提高野生型UGTPg45與底盤細胞適配性、從其他物種篩選可合成Rh2的優質UGT元件等。最終通過對這些策略的有效結合，使Rh2產量提高近10倍，達到179.3 mg/L，在10-L 發酵罐中產量達到2.2 g/L。該產量不僅是目前已報導的通過微生物發酵合成Rh2最高產量，而且相比現有的基於植物提取和微生物轉化的Rh2製備工藝也具有了明顯的成本優勢。

該研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部、上海市自然科學基金和中國科學院等項目的資助。

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