黃芩素和野黃芩素的合成生物學研究取得進展

12月3日，國際學術期刊Metabolic Engineering 在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所王勇研究組題為Production of plant-specific flavones baicalein and scutellarein in an engineered E. coli from available phenylalanine and tyrosine 的論文。

黃芩素（Baicalein）是一種黃酮類化合物，是從唇形科多年生草本中藥植物黃芩（Scutellariabaicalensis Georgi）的乾燥根中提取的主要活性成分，也是中藥黃芩發揮藥理作用的物質基礎之一。近年來，大量的體內外實驗均證明，黃芩素具有抗氧化、抗炎症、抗凋亡以及改善學習記憶能力等廣泛的生物學活性及藥理學活性，其作用譜廣、作用位點多、作用機制複雜多樣，有望成為安全、價廉且廣譜的有效抗腫瘤藥物及治療阿爾茨海默症的潛在理想藥物。野黃芩素則主要存在於菊科植物燈盞花（Erigeron karvinskianus）中，具有消炎止痛、活血化瘀和祛風除濕等功效。這兩種化合物均有望開發成新型藥物造福人類，但其在植物中的天然含量較少，如何高效低成本地獲得高純度化合物是目前研究開發急需解決的問題。利用合成生物學技術實現高效定向合成和規模化製備，是解決上述困難的有效途徑。

雖然這兩種化合物來源於不同的植物，但其結構具有相似性，其區別在於黃酮母核B環4』位是否有羥基取代。鑒於此，研究者用7個不同物種來源的11個基因構建了一種能定向合成黃芩素或野黃芩素的大腸桿菌，只需提供苯丙氨酸或酪氨酸兩種不同的前體，就可以獲得這兩種重要的黃酮化合物。作者首先將來自歐芹（Petroselinum crispum）的4CL、FNS I，紅酵母（Rhodotorulatoruloides）的PAL、矮牽牛（Petunia hybrida）的CHS、苜蓿（Medicago sativa）的CHI等酶的基因構建了黃酮的重要中間體白楊素/芹菜素的合成模塊。進一步通過克隆黃芩(Scutellaria baicalensis Georgi)來源的F6H及擬南芥(Arabidopsis thaliana)的AtCPR基因，並引入了不同的助溶標籤優化其表達，實現了黃芩素和野黃芩素的異源合成。在此基礎上，研究者進一步針對丙二醯輔酶A這一重要前體的供應進行了改造，通過過量表達丙二醯輔酶A合成基因acs和脂肪酸合成基因fabF，並引入三葉草根瘤菌（Rhizobium trifolii）來源的丙二醯輔酶A合酶（malonyl-CoA synthetase）基因matB與丙二酸鹽載體蛋白（malonate carrier protein）基因matC，最終在大腸桿菌中實現了搖瓶水平黃芩素23.6 mg/L和野黃芩素106.5 mg/L的產量。該研究為黃芩素和野黃芩素的規模化開發和製造提供了一個不依賴於植物提取的替代方案，也為其他黃酮類化合物的合成生物學製造提供了可借鑒的策略。

該研究工作由王勇研究組的助理研究員李建華及研究生田晨菲、夏裕會等完成。該研究工作得到國家自然科學基金委、中科院分子植物科學卓越創新中心、中科院戰略先導B等的資助。

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