科学家首次用烟草实现紫杉醇重要中间体合成

中科院分子植物科学卓越创新中心研究员王勇研究组首次在植物底盘中实现了紫杉醇关键中间体5a-羟基紫杉二烯的异源合成。该成果近日在线发表于《自然—通讯》。

紫杉醇是从红豆杉树皮中分离的一种具有抗癌活性的珍稀二萜类化合物，是广泛用于多种癌症治疗的临床一线药物。紫杉醇在红豆杉树皮中的含量仅为干重的万分之一左右，目前主要依赖于消耗红豆杉资源的半合成方法获得，远不能满足临床需求。利用合成生物技术，构建紫杉醇的人工生物合成系统有望解决这一问题。

为此，研究人员将紫杉二烯合酶、紫杉二烯5α-羟化酶及其还原酶导入了本氏烟草体系中。通过荧光共聚焦显微检测发现这些酶在细胞中定位于不同的区域，这种不同的分区是此前P450酶参与的紫杉醇中间体在植物体系中未能成功合成的关键所在。通过叶绿体分区工程化策略，研究人员将紫杉二烯-5α-羟化酶及细胞色素P450还原酶进行叶绿体定位改造，保证GGPP-TS-T5H/CPR代谢通路的空间一致性，成功实现了5α-羟基紫杉二烯的合成，产量为0.9微克每克鲜重叶片。

进一步通过选择性阻断MEP（2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸途径）和MVA（甲羟戊酸）途径实验，研究人员证实了在烟草体系中紫杉烷母核主要来源于MEP途径，明确了DXS（1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶）是在烟草中合成紫杉醇重要的工程化靶点，通过共强化DXS和GGPPS（牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸合酶基因）可以将紫杉二烯的产量提高10倍至56微克每克鲜重水平，5α-羟基紫杉二烯的产量提高至1.3 微克每克鲜重水平。

王勇表示，这项研究为复杂天然产物的异源合成提供了一种基于植物底盘的成功案例，建立的工程化烟草体系为进一步解析紫杉醇的未知合成途径提供了可能。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12879-y