作者:刁雯蕙 赵梓杉 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/14 20:00:39
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酿酒酵母酿“新物”!
科学家成功实现植物激素的异源从头合成

 

茉莉素作为一类重要的植物激素,对调控植物生长发育和抗性反应起重要作用,同时有着广阔的应用前景,提高农作物的产量、抵御害虫,还能改善水果的质量。此外,茉莉素还在化妆品中发挥重要作用,赋予香水和护肤品独特的香气。

然而,在传统方法中,茉莉素主要来源于植物提取,但植物含量低、萃取过程繁琐;茉莉素的立体构型复杂,化学全合成也存在难度,生产上面临的挑战限制了茉莉素的广泛应用。

合成生物学的发展使得天然产物的异源生产成为可能。11月14日,一则发表于《自然—合成》的研究,介绍了一种高效、绿色和可规模化生产茉莉素的新方法,该研究首次实现了植物激素茉莉酸在酿酒酵母的异源从头合成。

论文截图


该成果的成功应用,不仅使茉莉素的生产不再受限于植物萃取与时令环境,为茉莉素在农业和化妆品等行业的规模化应用铺平道路,也为茉莉素的高效和绿色生产提供突破性参考。该工作由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员罗小舟与美国加州大学伯克利分校教授Jay. D. Keasling团队合作完成。

建立“新”微生物细胞工厂

茉莉素广泛参与植物生长发育、胁迫应答等众多生理过程的调控,在作物抗逆抗病增产、低温种子萌发等方面有广阔的应用前景。美国和日本等国家已将茉莉素投入到农业生产,在改善苹果、葡萄、柑橘等作物的果实品质和防御能力上的效果十分显著。此外,茉莉素在香料、化妆品上也有较多应用。

然而,茉莉素在植物中的合成过程较为复杂,通路长,酶促类型多样,还涉及中间产物在不同细胞器间的转运等,合成途径的复杂度为重构工作带来不少挑战。

“公认安全的酿酒酵母因含有多种细胞器,我们将其优先选择为茉莉素异源从头合成的微生物底盘”,论文共同通讯作者罗小舟介绍,“在实验过程中,团队在只有8微米直径的小小微生物——酿酒酵母上先后进行了15次外源基因的引入和3次内源基因的敲除,最终实现茉莉素的异源从头合成”。

在从头合成的过程中,研究团队首先需要在酵母的内质网中导入两个基因进行α-亚麻酸(α-LeA)合成。其次,在酵母的细胞质中合成中间产物12-氧代-植物二烯酸(OPDA)。紧接着,在酵母的过氧化物酶体中合成茉莉酸(JA)。最后,在酵母的细胞质中合成茉莉酸甲酯、茉莉酸异亮氨酸等衍生物。

通过过往研究及实验可以发现,在酵母中找寻适合中间体α-LeA和OPDA合成的场所,是途径重构首要解决的难题。而研究团队历时两年合成这一通路,在酵母细胞中为茉莉素的绿色生产成功构建了全新细胞工厂。

规模化生产,助力农业“绿色合成”

研究团队建立茉莉素酵母细胞工厂以实现规模化合成,相较于传统的植物提取是否在产量上具有更大优势呢?

研究团队在实验中发现,在酵母的过氧化物酶体中合成茉莉酸,产量可达每升19毫克,而通过植物萃取每叶片含量仅为10至100纳克。

“可以想象,这次的研究成果像是重新编程了酵母工厂,能够在与植物完全不同的环境中进行重新构建,从而在其中合成高附加值化学品。”罗小舟说道。

在酿酒酵母中从零搭建茉莉素的高效生产线示意图 科研团队供图


素有“合成茉莉”之称的二氢茉莉酮酸甲酯作为茉莉素衍生物,是香料界使用最多的添加剂之一,《2019-2025全球与中国二氢茉莉酮酸甲酯市场现状及未来发展趋势》中指出,全球二氢茉莉酮酸甲酯的市场规模将在2025年达到12亿元人民币。茉莉素市场未来可期。

科学突破是第一步,研以致用是关键。该工作不仅仅在技术上进行了突破,将茉莉酸通过合成生物学的方法规模化生产更有望成为农业生产的“辅助装备”,在制备抗菌增产组合物、制备害虫农药及制备果蔬着色剂等农业领域具有无限潜力。与目前的化学合成或提取工艺相比,该技术更提供了一种更有效、更经济且更环境友好的方法。

实现茉莉素在酿酒酵母的异源从头合成作为研究的成功开端,给予了科学家们更多的启发。据了解,研究团队已在探索扩大生产的方法,旨在赋予这项“绿色”技术更多的产业可行性。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s44160- 023-00429-w

 
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