中國科學家在高效合成人蔘皂苷Rh2取得新進展_風聞

2019年1月15日，《Cell Discovery》雜誌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被廣泛報道具有促進腫瘤細胞凋亡和抑制腫瘤細胞增殖、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輔助藥物。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脱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。該方法依賴於人蔘屬植物的栽培（人蔘屬植物栽培週期長，易於遭受蟲害，並具有連作障礙），下游分離工藝複雜，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，從人蔘資源中獲得微量的人蔘皂苷Rh2，也會造成資源的浪費。 

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元件的功能鑑定，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元件與底盤適配性欠佳等問題，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，本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， PPD的產量提高7.5倍以上，10-L 發酵罐的PPD產量達到11.0 g/L。基於這一新的底盤，本研究又對PPD向Rh2轉化的一步糖基化反應進行了系統優化，包括啓動子和拷貝數調節提高UGT在底盤中的表達效率、定向進化野生型UGTPg45並優化其與底盤細胞的適配性以及從其他物種篩選更優質的UGT元件等。最終通過整合以上改造策略， Rh2的產量提高10倍以上，10-L 發酵罐的產量達到2.2 g/L。這表明相比傳統的製備工藝由葡萄糖從頭合成Rh2的新工藝具有明顯的成本優勢。 

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

論文鏈接：doi.org/10.1038/s41421-018-0075-5