生物合成芳香族氨基酸及其衍生物的研究進展

申曉林 袁其朋（北京化工大學 化工資源有效利用重點實驗室 軟物質科學與工程高精尖創新中心，北京 100029）

生物合成芳香族氨基酸及其衍生物的研究進展

申曉林 袁其朋
（北京化工大學 化工資源有效利用重點實驗室 軟物質科學與工程高精尖創新中心，北京 100029）

現代生物化工主要以廉價可再生資源為底物生產高附加值的精細化學品、大宗化學品、藥品及營養品。合成生物學研究是生物化工領域的重要發展方向和支撐體系之一，是在功能基因組學、計算生物學和系統生物學等基礎上，將工程化理念應用在生物學中，定向創造新型生物產品和生物過程整體優化的新的研究方向。合成生物學發展十幾年以來，創造出了很多強有力的工具被應用于微生物、植物及動物的研究。以微生物生產芳香族氨基酸及其衍生物為主要內容，系統的綜述合成生物學在以微生物生產高附加值產物方面的研究進展。

合成生物學；芳香族氨基酸；黃酮類；有機酸；天然產物

在過去的150年里，基于石化資源的過度開發及消費導致了三大能源的日益枯竭和污染的日益加重。以石化資源為基礎的化工產業作為一種有效的方法生產化學品具有很多優勢。但是，隨著科技日新月異的發展，化工方法的不足也逐漸顯示出來，包括：（1）使用有毒或者環境不友好的催化劑；（2）產生有毒的中間產物或副產物；（3）需要高溫高壓的生產工藝；（4）生產需要大量能源；（5）生產手性化合物非常困難。這些問題使得人們把目光投向了生物合成及生物化工領域。生物合成主要以葡萄糖、甘油、木糖甚至纖維素等可再生資源為底物，通過改造微生物生產生物柴油、大宗化學品、精細化學品、藥物及營養品等［1］。目前，合成生物學方法被廣泛應用于生物合成領域。合成生物學是由基因組學、工程學、分子生物學、信息學等技術集成產生的工具與方法，從社會重大需求出發，合成具有生命功能的生物分子、細胞與系統，并使用系統生物學的全方位整合及分析研究策略，為生物學研究提供正向工程學方法。其目的是改造、設計、重建的生物部件、代謝途徑、生物系統和發育分化過程，乃至具備生命活動能力的體系、生物部件、生物個體以及人造生態。2006年，以美國加州大學伯克利分校的Keasling教授［2］在Nature上發表首次使用酵母生產抗瘧疾藥青蒿素的前體-青蒿酸為標志，合成生物學進入了飛速發展的階段。隨著合成生物學的發展，歷經7年的不斷研究，2013年，青蒿酸的產量已由最初的115 mg/L提高到了25 g/L［3］，顯示了良好的工業應用前景。這說明合成生物學的發展日漸成熟，目前已經應用于生物化工的各個領域。本文以芳香族氨基酸及其衍生物為例，詳細論述合成物學方法構建有效的底盤生物生產目標產物的策略，包括建立熱力學可行的代謝途徑、蛋白質工程、重寫碳代謝流、利用不同的碳源、改造底物攝入機制等都是本文討論的范圍。

1 芳香族氨基酸的生物合成

芳香族氨基酸包括L-苯丙氨酸、L-色氨酸及L-酪氨酸，在生物體內由莽草酸途徑合成。其中色氨酸及苯丙氨酸是人體8種必需氨基酸，只能從膳食中進行補充。這3種氨基酸同時也是合成大量高附加值產物的前體。如圖1所示，芳香族氨基酸的合成首先通過磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和4-磷酸赤蘚糖（E4P）縮合生產3-脫氧-D-阿糖基庚糖酮酸-7-磷酸（DAHP），隨后被催化生產分支酸。分支酸是生產3種芳香族氨基酸的重要分支［4，5］，因此，在生物合成的過程中，增強分支酸的碳代謝流以提高分支酸的產量是研究的第一個重點。首先，過表達PEP合成酶的基因ppsA和轉酮醇酶的基因tktA以增強細胞內PEP和E4P的產量是最長用的方法。其次，通過改造DAHP合成酶和分支酸變位酶——預苯酸脫氫酶解除其所受的反饋抑制（分別編碼為aroGfbr和tyrAfbr），使得細胞內可以大量積累分支酸同時可以大量生產L-酪氨酸［6，7］。另外，TyrR和TypR介導的抑制也影響了芳香族氨基酸的產量，通過敲除tyrR基因來除去轉錄的弱化情況，可以增強苯丙氨酸和酪氨酸的產量［6，7］。另外的方法是，通過破壞一個全局調控的基因csrA可使苯丙氨酸的產量提高兩倍［8］。近階段的研究中，調控氨基酸的轉運機制作為一種新的方法被用來提高芳香族氨基酸的產量。體內氨基酸的積累或者攝取都可以抑制宿主的生產力，而通過改造轉運系統可以解除這個機制的抑制，從而提高氨基酸的產量［9］。利用這些策略，大腸桿菌和谷氨酸棒桿菌的L-酪氨酸、L-苯丙氨酸和L-色氨酸的產量分別達到了55 g/L［10］、46 g/L［11］和60 g/L［12，13］。

圖1 芳香族氨基酸的生物合成途徑

雖然芳香族氨基酸是重要的營養品，但是，芳香族氨基酸的衍生物則幾乎全部為高附加值、具有生物學功能的化學品、藥品及營養品。因此，在合成生物學蓬勃發展的今天，人們的研究重點則集中于芳香族氨基酸的衍生物的生物合成。

2 芳香族氨基酸衍生物的生物合成

2.1 有機酸類

莽草酸途徑生產芳香族氨基酸的重要中間代謝物是分支酸，而分支酸不僅可以生產芳香族氨基酸，同時也是一些重要的有機酸的前體物質。如黏糠酸和水楊酸就是以分支酸為前體生產的（圖2）。

水楊酸，又稱為鄰羥基苯甲酸或2-羥基苯甲酸，多存在于植物中，是一種調節生長發育的激素［14］。水楊酸是護膚品中的重要成分，被用于治療痤瘡、脂溢性皮炎、銀屑病等［15］。其衍生物水楊酸甲酯具有緩解疼痛的作用，被廣泛應用于醫藥行業［16］。水楊酸在微生物中的異源生物合成是通過調節莽草酸途徑來增加分支酸及異分支酸的供應以達到高產的目的。Lin等［17］利用一個中拷貝的質粒調節了前體的碳代謝流，這個中拷貝的質粒上攜帶有ppsA、tktA和aroGfbr的基因，從而提高了莽草酸途徑產生分支酸的量，生產了1.2 g/L的水楊酸。這篇研究同時發現，使用更高拷貝的質粒或者敲除其他的競爭性途徑來增加生產分支酸的代謝流并沒有生產更多的水楊酸，說明體內的碳代謝達到了平衡。最近的研究者們將研究的重點放在了莽草酸途徑以外的代謝網絡水平，從代謝全局的角度調整代謝流量。由于微生物自身的葡萄糖轉運機制是消耗莽草酸途徑重要的前體PEP的。因此，敲除了PTS系統和PEP向丙酮酸轉化的關鍵基因，基于這個研究，水楊酸的最終產量達到11.5 g/L［18］。

水楊酸經過脫羧和氧化，就可以生產另外一種重要的有機酸——黏糠酸（圖2）。黏糠酸是一種六碳二羧酸，在化工領域是一種重要的平臺化合物，可用于生產塑料、對苯二甲酸和己二酸。而己二酸則是尼龍-6，6和聚氨酯的重要單體。對苯二甲酸的全球經濟價值達到7.1億美元，而己二酸的年需求量也達到了330萬t。1994年，Frost課題組首次報道了利用大腸桿菌從頭異源合成黏糠酸［19］。如圖2所示，該研究將3個外源酶引入大腸桿菌，包括3-脫氫莽草酸脫水酶，原兒茶酸脫羧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶，以3-二氫莽草酸（DHQ）為前體生產黏糠酸。同時過表達tktA、aroF和aroB基因以提高前體DHQ的產量。最終該工程菌在發酵罐中生產了38.6 g/L黏糠酸。最近有研究用同樣的策略在酵母中生產黏糠酸，得到了141 mg/L的發酵產量［20］。Yan課題組［21］構建了三條不同的途徑來生產黏糠酸，通過一系列的優化和全局調控，成功完成了生產黏糠酸的底盤細胞的構建。如圖2所示，這些途徑均以分支酸為前體生產黏糠酸。第一條途徑中，利用大腸桿菌自身的鄰氨基苯甲酸合成酶將分支酸轉化為鄰氨基苯甲酸，接著用兩個外源酶——鄰氨基苯甲酸1，2-雙加氧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶生產最終產物。在抑制色氨酸的生物合成的同時引入谷氨酰胺循環體系，更加全面的調節宿主細胞，最終黏糠酸的產量達到389.96 mg/L。接下來，該課題組利用異分支酸合酶、異分支酸丙酮酸裂解酶、水楊酸1-單加氧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶組成新的異源合成途徑，在一個由苯丙氨酸生產菌改造的水楊酸生產菌中生產黏糠酸，通過增加上游途徑到分支酸的產量，最終在該基因工程菌中生產了1.5 g/L黏糠酸［17］。最后一個途徑是巧妙的將2，3-二羥基苯甲酸的生物合成及生物降解同時在大腸桿菌中表達，利用2，3-二羥基苯甲酸脫羧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶降解大腸桿菌自身生產的2，3-二羥基苯甲酸來生產黏糠酸。通過過表達莽草酸途徑的相關基因和entCBA（編碼2，3-二羥基苯甲酸合成酶）達到高產黏糠酸的目的，最終產量達到900 mg/L［22］。利用更為廉價的碳源來生產黏糠酸這種大宗化學品在工業上來說會降低成本的消耗，如使用甘油或纖維素水解液。最近的研究中，Zhang等［23］在PNAS上報道了通過共培養的方式將兩種細胞在葡萄糖和木糖（模擬纖維素水解液）中共培養，通過克服微生物自身的生產缺陷提高碳源利用率來生產黏糠酸，得到了0.35 g/g木糖葡萄糖混合液的產率。Johnson等［24］利用木素水解物產生的芳香族化合物和葡萄糖共培養，在惡臭假單胞菌中生產黏糠酸，通過共表達原兒茶酸脫羧酶和其相關的兩個蛋白來生產該蛋白所需要的輔因子，最終生產了15.6 g/L黏糠酸。黏糠酸可以作為生物傳感器，通過控制相應的啟動子的表達或抑制來完成對代謝網絡的實時調控。同時也可以啟動表達報告基因，通過報告基因的強度與黏糠酸的濃度關系，實時監測黏糠酸的產量。最近，Keasling課題組［25］成功將原核生物中的生物傳感器改造了一個真核生物中的LysR轉錄調節元件，通過調節該元件對于黏糠酸的敏感性，不同濃度的黏糠酸可以控制蛋白不同的表達水平，從而控制熒光蛋白的熒光強度，通過熒光強度來定量黏糠酸的產量。

2.2 類苯基丙烷類（Phenylpropanoid）

類苯基丙烷類化合物是一種以苯丙氨酸為前體的植物次級代謝產物。如圖3所示，基于不同的分子結構，類苯基丙烷可以分為羥化肉桂酸類、香豆素類、黃酮類和茋類［26］。由于這些化合物具有抗氧化、抗炎、抗病毒和抗癌等能力，因此，這些化合物常被用于食品、醫藥、化妝品等領域［27，28］。但是，這些化合物在植物中的含量很少，因此，利用分離提取的方法得到產品是非常低效的。隨著代謝工程和合成生物學的發展，人們通常利用大腸桿菌和酵母等模式生物，以廉價的碳源或前體為底物，生產這些高附加值的產品。

圖2 人工構建的水楊酸及粘糠酸生物合成途徑

2.2.1 羥化肉桂酸類 羥化肉桂酸通常是指羥基化的肉桂酸的衍生物或者帶有簡單取代基團的肉桂酸衍生物，包括對香豆酸、阿魏酸和咖啡酸等。其中，對香豆酸是一個關鍵的中間代謝物，可以合成大量的類苯基丙烷類產品。在植物代謝途徑中，苯丙氨酸氨基裂解酶（PAL）催化苯丙氨酸脫掉氨基生成肉桂酸，再在肉桂酸4-羥化酶（C4H）的催化下完成對位的羥化反應，生成對香豆酸（圖3）。鑒于植物中的基因更容易在酵母這種真核細胞中完成異源合成，這條通路最早在酵母中被表達［29］。但是，細胞色素P450家族的C4H的催化效率低導致了整條通路的產量并不盡如人意。圖3顯示，對香豆酸可以由酪氨酸直接脫氨基生成，Vannelli等［30］利用酪氨酸氨基裂解酶直接生產對香豆酸。同時，PAL也具有較寬的底物譜，可以催化酪氨酸的脫氨基反應。2012年，Kang等［31］利用一株大腸桿菌的酪氨酸生產菌，通過過表達來自酵母的酪氨酸氨基裂解酶（Sam8）生產了974 mg/L對香豆酸。最近的報道中，一株對香豆酸的高產酵母菌被進一步改造，通過敲除苯丙酮酸脫羧酶的基因ARO10和丙酮酸脫羧酶的基因PDC5來抑制副產物的生產，同時解除了DAHP合成酶的反饋抑制系統，增強莽草酸途徑的碳代謝流，使對香豆酸的產量達1.93 g/L［7］。

咖啡酸也是一種重要的類苯基丙烷類化合物，具有抗腫瘤［32］和抗炎［33］的作用，同時也是一種良好的抗氧化劑［34］，有研究報道稱咖啡酸可以抑制黃曲霉素的產生［35］。在自然界中，咖啡酸的生產依賴于另外一種細胞色素P450家族的羥化酶——對香豆酸3-羥化酶（C3H）［36］。鑒于細胞色素P450家族較低的催化效率和難以表達的特點，尋找C3H的同工酶成為異源合成咖啡酸的重要研究工作。Berner等［37］最早從酵母中分離得到了Sam5可以替代C3H催化對香豆酸生產咖啡酸。在大腸桿菌［38］、嗜熱棲熱菌（Thermusthermophilus）［39］、鮑曼不動桿菌（Acinetobacter baumannii）［40］及惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）［41］中，存在一種參與4-羥基苯乙酸降解的羥化酶4-羥基苯乙酸3-羥化酶（4HPA3H），可以高效的催化4-羥基苯乙酸的類似物對香豆酸的鄰位羥基化，生成咖啡酸。有研究顯示，帶有銅綠假單胞菌4HPA3H基因的大腸桿菌，通過添加對香豆酸作為底物可以生產10.2 g/L的咖啡酸［42］。如圖3所示，在大腸桿菌中同時表達TAL和4HPA3H，即可實現咖啡酸的從頭合成。利用大腸桿菌的苯丙氨酸生產菌株以甘油和葡萄糖為底物，提高酪氨酸的產量，進而生產咖啡酸，在搖瓶中的產量可以達到776 mg/L［43］。酵母中天然存在Sam8和Sam5，因此過表達這兩個基因可以生產咖啡酸，但是，這條通路的產量略低于大腸桿菌中由TAL和4HPA3H組成的通路的產量［31］。

圖3 人工構建的類苯基丙烷類生物合成途徑

與此同時，由此中心途徑延伸出來了很多生產其他芳香族有機酸的途徑。Sun等［44］通過篩選10余種不同來源及可能的酶，成功獲得可以催化肉桂酸生產羥化肉桂酸的酶，并將厭氧的羥化酶在好氧條件下成功表達，可以催化肉桂酸和香豆酸生產苯丙酸和對羥基苯丙酸，搖瓶產量分別達到366.77 mg/L和225.10 mg/L。在大腸桿菌中，利用混合碳源從頭合成，建立了生產肉桂酸和對羥基肉桂酸的合成途徑［45］。有研究報道，利用4HPA3H的底物譜較寬的特性，通過酪氨酸的合成的分支途徑生產4-羥基苯丙酮酸，進而生產了7.1 g/L的丹參素A［46］。阿魏酸也可以通過中心途徑產生咖啡酸進行生產，利用來自擬南芥的氧甲基轉移酶催化咖啡酸生產阿魏酸［31］。另外，這個中心途徑還可以被用來生產迷迭香酸［47］、綠原酸［48］、奎尼酸和莽草酸酯［5］等衍生物。

2.2.2 黃酮類 黃酮類是非常著名的抗氧化抗衰老的一類化合物，分為以下幾個小類：黃酮、黃烷酮、異黃酮、黃酮醇、黃烷醇等［4］。常見的有大豆異黃酮、柚皮素、圣草酚等［27］。迄今為止，關于黃酮類生物合成的研究主要集中于松屬素和柚皮素。因為這兩個簡單的黃烷酮類是合成其他黃酮類物質的基本單位。如圖3所示，生物合成松屬素和柚皮素的第一步是通過4-香豆酸輔酶A連接酶（4CL）將輔酶A與肉桂酸以及輔酶A與對香豆酸分別縮合為肉桂酰輔酶A和對香豆酰輔酶A。再通過查爾酮合酶（CHS）催化重復的克萊森縮合反應，將3分子的丙二酰輔酶A與肉桂酰輔酶A或者香豆酰輔酶A縮合形成黃烷酮查爾酮。接下來，這些查爾酮經過自發的反應或者在查爾酮異構酶（CHI）的催化下生成松屬素和柚皮素。在酵母中，表達4CL、CHS和CHL可以通過相應的氨基酸生產0.2 mg/L柚皮素和16.3 g/L松屬素［49］，而在大腸桿菌中表達PAL/TAL、4CL、CHS和CHI，可以同時生產60 mg/L的柚皮素和58 mg/L的松屬素［50］。Koopman等［51］在酵母中建立了一條從頭合成柚皮素的代謝途徑，該途徑以葡萄糖為唯一碳源，通過平衡基因的表達，提高前體的供應和降低副產物途徑的代謝工程手段，最終在發酵罐中生產了415 μmol/L的柚皮素。由黃烷酮類物質的生物合成過程（圖3）可知，通過增加體內丙二酰輔酶A的濃度，可以提高黃烷酮類物質的產量。一方面，過表達丙二酰輔酶A合酶（MatB）和一個可能的丙二酸鹽轉運蛋白（MatC）可以提高丙二酰輔酶A的濃度，從而顯著的提高黃烷酮類的產量［52］；另一方面過表達乙酰輔酶A羧化酶（ACC）和生物素連接酶可以促進乙酰輔酶A轉化為丙二酰輔酶A，利用該策略，可以生產119 mg/L柚皮素、429 mg/L松屬素和52 mg/L圣草酚［50，53］。此外，更多的合成生物學方法被用于提高前體物丙二酰輔酶A的產量。利用反義RNAs 來抑制脂肪酸的合成來增加丙二酰輔酶A的胞內濃度，比直接敲除脂肪酸的合成途徑更加有效地提高了細胞內丙二酰輔酶A的含量［54］。Yang等［55］利用一段合成的反義RNA工具動態調控了大腸桿菌中的丙二酰輔酶A的合成，使丙二酰輔酶A的含量提高了4.5倍，最終生產了91.31 mg/L柚皮素，產量比對照菌提高了1.53倍。通過調節啟動子的強度來平衡模塊間的表達水平，利用不同拷貝數的質粒平衡代謝途徑中各個酶的表達，在大腸桿菌中以葡萄糖為碳源生產了100.64 mg/L柚皮素［56］。利用基因組水平的代謝模型以最小化進行基因干預的策略，重寫碳流量，使其盡可能多的流向丙二酰輔酶A的生物合成，最終生產了474 mg/L柚皮素［56］。

2.2.3 香豆素類 香豆素是來自于植物的一類天然產物，包括了雙香豆素、4-羥基香豆素、7-羥基香豆素（傘花內酯）、6，7-二羥基香豆素（七葉素）等化合物［57，58］。該類物質的重要共同結構是4-羥基香豆素。香豆素類藥物的重要作用是抗凝血作用，主要通過與維生素K競爭性抑制，阻礙凝血因子在肝臟中合成，由此制成了著名的抗血栓藥物華法林［59］。相對于羥化肉桂酸類化合物和黃酮類化合物，關于香豆素微生物合成的研究非常少，因為到目前為止，對于香豆素在植物中的代謝途徑研究還不甚清晰。佐治亞大學的Yan Yanjun課題組在香豆素類物質的生物合成中做出了突出的貢獻。2013年，該組在Nature Communications上發表文章，首次在大腸桿菌中實現了香豆素類的核心物質4-羥基香豆素的異源生物合成。利用來自大腸桿菌的4HPA3H參與的咖啡酸的生物合成途徑，再表達3個酶：咖啡酸酯3-甲氧基轉移酶、4CL和阿魏酸酯輔酶A 6’-羥化酶生產東莨菪亭。此外，另一個不是從類苯基丙烷類物質衍生出來的生物合成途徑也在該研究中被建立，用來生產4-羥基香豆素。這個途徑由分支酸作為前體，丙二酰輔酶A作為碳單位，利用異分支酸合成酶（ICS）、異分支酸丙酮酸裂解酶、水楊酰輔酶A連接酶和喹諾酮合成酶（PqsD）在大腸桿菌中成功的生產了約500 mg/L的4-羥基香豆素［57］。同時，該課題組還首次構建了傘形花內酯和東莨菪亭的微生物合成途徑，這條途徑不僅克服了香豆素合成中的未知步驟，還避免了使用細胞色素P450家族的羥化酶［60］，他們還深入研究了大腸桿菌中4HPA3H的催化特性和底物兼容性。研究發現，該酶可以催化傘形花內酯高效轉化為七葉亭，最終得到了2.7 g/L的七葉亭，同時，該酶還可以催化白藜蘆醇轉化為白皮杉醇［58］，Furuya等［61］基于此工作，通過添加吐溫80的方法，利用該酶進行全細胞催化，12 h生產了5.2 g/L 白皮杉醇，轉化率達到83%。同時，該酶還可以將柚皮素轉化為圣草酚，將阿福豆素轉化為兒茶酸［58，62］。

2.2.4 茋類 茋類化合物是一類由對稱苯代二乙烯和簡單的取代集團形成的對稱苯代二乙烯的類似物。其中最典型的化合物是白藜蘆醇。白藜蘆醇具有良好的抗氧化［63］、抗衰老［64］及預防癌癥的功效［65］。如圖3所示，白藜蘆醇的生物合成也是通過3分子的丙二酰輔酶A與對香豆酰輔酶A縮合后經過脫羧形成的。最初白藜蘆醇是在酵母中通過表達4CL和對稱二苯代乙烯合成酶（STS）實現首次異源生物合成的［66，67］。經過優化，使用來自于擬南芥的4CL1和葡萄的STS，可以生產391 mg/L白藜蘆醇［68］。近期有研究利用合成生物學的方法，改造不同的質粒，通過增加丙二酰輔酶A的濃度，來增加白藜蘆醇的產量，該方法有效的將白藜蘆醇的產量提高到了2.3 g/L［69］。

2.3 其他化合物

除了上述的氨基酸及類苯基丙烷類化合物，芳香族氨基酸還有其它具有生物活性的簡單衍生物，包括5-羥基色氨酸、天麻素等。

5-羥基色氨酸是色氨酸的衍生物，是一種治療抑郁癥、失眠、肥胖和慢性頭痛的重要藥物，常從非洲加納的種子中提取獲得［70］。而加納只能在西部及中部非洲種植，極大的限制了5-羥基色氨酸的商品供應。Lin等［71］在大腸桿菌中篩選了苯丙氨酸4-羥化酶，通過蛋白質工程的方法改造該酶，使其可以利用四氫生物蝶呤特異性的將色氨酸轉化為5-羥基色氨酸。同時，鑒于大腸桿菌不能產生四氫生物蝶呤且其價格昂貴，因此在大腸桿菌中引入了一個外源的四氫生物蝶呤循環系統。通過這些改造，全細胞轉化法可以生產1.2 g/L 5-羥基色氨酸。Sun等［72］同時構建了另外一條途徑實現了大腸桿菌中5-羥基色氨酸的從頭生物合成，首先構建了高產5-羥基鄰氨基苯甲酸的生物合成途徑，該過程利用了水楊酸5-羥化酶催化鄰氨基苯甲酸生成5-羥基苯甲酸，再利用大腸桿菌自身的TrpDCBA（色氨酸合成酶）生成最終產物，首次實現了5-羥基色氨酸的從頭合成。

芳香族氨基酸及其衍生物的糖苷類產品也是研究的重點，有些具有生物功能的芳香族化合物不易溶于水，因此生物相容性和利用度較差。而糖苷基團的引入可以有效的增加化合物的水溶性和穩定性，有些化合物在引入糖苷基團后可以增加其生物活性。天麻素就是這樣一種物質，是由4-羥基苯乙醇在羥基基團上引入糖苷基團的化合物。天麻素具有抗氧化，抗炎等作用，在醫學上可以作為鎮靜劑、安眠藥、抗驚厥藥和神經保護藥［73-75］。2016年，Bai等［76］在大腸桿菌中構建了天麻素的從頭合成途徑，通過分支酸生產4-羥基苯甲酸，再經過兩步催化生產4-羥基苯乙醇，最后在葡萄糖基轉移酶的催化下生成天麻素。經過對代謝途徑的優化和葡萄糖基轉移酶的改造，最終生產了545 mg/L天麻素。同年，Ahmadi等［77］在大腸桿菌中實現了另外一種芳香族氨基酸衍生物——水楊酸的糖基化產品生產。葡萄糖基水楊酸是一種植物中的抗炎因子，通過莽草酸途徑生產水楊酸，再過表達6-磷酸葡萄糖的生產途徑，通過葡萄糖基轉移酶催化，最終生成葡萄糖基水楊酸。利用兩種不同的共培養系統，葡萄糖基水楊酸的最終產量為2.5 g/L。

3 結語

隨著石油資源的日益枯竭，以石油為基礎的化工產業面臨嚴重的挑戰。在過去的幾十年里，利用微生物以廉價可再生碳源為底物生產精細化學品和大宗化學品的研究日漸成熟。目前，建立一個高效的生物合成體系需要對底盤生物和外源途徑進行全面的優化，必須解決如下問題：（1）生產用的工程化微生物必須被系統的進行改造，具備高產量、高產率和可大規模生產；（2）生產的原料必須便宜易得，生產過程耗能較少；（3）產品體系中雜質少，產物容易分離。以合成生物學為基礎發展出來的技術，如大規模基因編輯技術CRISPR-Cas9的發展及完善，反義RNA、DNA支架或蛋白支架等工具，都為合成生物學在生物化工領域的應用鋪平了道路。而合成生物學的模塊化、適配化的原則也使研究向著更加深入和普適化的方向進行。我們相信，隨著合成生物學的發展，越來越多的工具和方法被應用，生物化工的研究也會更多元化，也將有更多的研究成果被應用。

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（責任編輯 馬鑫）

Research Advance on Biosynthesis of Aromatic Amino Acids and Their Derivatives

SHEN Xiao-lin YUAN Qi-peng
（State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technolog，Beijing 100029）

Bioengineering has been used to produce various of value-added products including fine chemicals，bulk chemicals，pharmaceuticals and nutraceuticals using sustainable materials. Synthetic biology is the foundation of bioengineering which combined functional genomics，computational biology with system biology to createnovel products and optimize bioprocess. In the past decades，many powerful tools developed from synthetic biology has been used in microorganisms，plants and animals. In this review，we summarize the synthesis of aromatic amino acids and its derivatives in microorganisms and review the recent advances in bio-production of value-added chemicals using synthetic biology.

synthetic biology；aromaticacids；flavonoids；organicacids；naturalproducts

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.003

2016-12-10

國家自然科學基金項目（21406010，21636001），長江學者創新團隊（IRT13045）

申曉林，女，博士，研究方向：合成生物學，代謝工程及生物化工；E-mail：shenxl@mail.buct.edu.cn

袁其朋，男，教授，博士生導師，研究方向：合成生物學及代謝工程；E-mail：yuanqp@mail.buct.edu.cn