康奈尔学者综述进化辅助的植物特异性代谢工程

植物代谢产物可以为食品、工业提供各种各样的原材料，也是许多传统草药的重要成分。我国传统中医药就广泛应用了许多植物提取物。神农为辨药而尝百草，李时珍为辨本草而遍访群山，著《本草纲目》。多种多样的植物以及植物特异性代谢产物是人类医药的重要资源宝库。据统计，约有5万多种植物被用作传统医药。目前已知的植物特异性代谢产物包括4万多种萜类化合物，2万多种生物碱以及8000多种多酚类化合物。但在FDA 1981-2019年批准的1394种小分子药物中，只有100多种是纯化的植物特异性代谢产物。因此，尽管植物特异性代谢产物对人类医学如此重要，从植物中大规模提纯这些化合物会面临许多问题；另一方面，由于这些化合物结构的复杂性，完全化学合成也充满了挑战。近年来，合成生物学的发展为合成植物特异性代谢产物提供了可行的路径。

近日，美国康奈尔大学助理教授Gaurav D. Moghe及其团队在aBIOTECH上发表了“Evolution-aided engineering of plant specialized metabolism ”（点击题目查看原文）的综述文章。生物的进化过程包含了遗传突变、重组、基因漂变和选择过程。也正是有了这些过程，才会有生物的多样性。而这些生物进化过程，也为代谢工程合成复杂的植物特异代谢产物提供了启示。在这篇文章中，作者提出了进化辅助的植物特异性代谢工程，通过定向进化和组合代谢途径重构这两种策略，以期在单一的异源宿主内生产重要的植物特异性代谢产物。

定向进化是代谢工程中最成功的方法之一。弗朗西丝·阿诺德因研究酶的定向进化而获得了2018年诺贝尔化学奖。通过定向进化策略，酶的活性可以被不断优化。本文详细介绍了如何选择代谢途径的某个酶作为靶点以及酶的哪些结构域作为优化的目标。随后文章介绍了目前常用的一些定向进化突变手段以及随后的筛选验证方法。例如，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）光合作用中决定碳同化速率的关键酶，但是RuBisCO的催化效率极其低下。所以，RuBisCO是植物代谢工程中的一个重要靶点。一些科研团队因此建立了RuBisCO定向进化筛选的技术路径。

通过组合代谢途径重构，可以在异源宿主内生产新的代谢产物。比如通过组合代谢途径重构的方法导入某些植物代谢途径，可以在微生物中生产许多植物特异性的代谢产物。而在植物中，传统的多基因转化会导致不同的转基因事件在后代中分离，因而需要回交产生纯合后代。而多基因叠加转化技术可以同时导入多个基因而不会在后代中分离，因而被广泛地应用于合成生物学和植物代谢工程。“黄金大米”的研制则是组合代谢途径重构应用的最著名的例子。通过在水稻胚乳中特异性地表达植物八氢番茄红素合酶以及来自细菌的类胡萝卜素去饱和酶，可以在稻米中积累维生素A的前体胡萝卜素。通过不断优化酶活以及降低类胡萝卜素的降解，最终被批准种植的黄金大米为许多国家和地区提供了维生素A缺乏的解决方案。

进化辅助的植物特异性代谢工程也会有一些问题和挑战。比如，许多有潜在药用价值的植物特异性代谢产物来源于非模式植物，其遗传和基因组信息匮乏，而现代大规模测序技术以及机器学习为未来蛋白结构预测提供了可能；如何选择合适的载体和表达宿主是植物代谢工程设计中的要点；此外，经济和社会价值也是植物代谢工程需要考量的重要因素。例如通过代谢工程手段生产抗疟疾特效药青蒿素有着巨大的经济和社会效益，反之，如果将鸦片代谢途径重构到酵母中，则为制毒和犯罪提供了温床。

总而言之，这篇文章从定向进化和组合代谢途径重构两个方面着重介绍了进化辅助的植物特异性代谢工程，阐述了植物代谢工程的目标、手段、目前的问题和挑战以及未来的前景。