11月14日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所羅小舟研究員和Jay. D. Keasling教授課題組在Nature Synthesis上發(fā)表題為Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates的文章。該研究針對現(xiàn)階段植物激素茉莉素在生產(chǎn)上面臨的化學(xué)合成難度大、植物提取得率低等挑戰(zhàn)，提出在釀酒酵母中重構(gòu)茉莉素的生物合成途徑，建立微生物細(xì)胞工廠以實(shí)現(xiàn)高效和綠色生產(chǎn)，為茉莉素在農(nóng)業(yè)及化妝品行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用鋪平道路。
茉莉素（jasmonates）是茉莉酸及其衍生物茉莉酸甲酯、茉莉酸異亮氨酸等的統(tǒng)稱。作為植物的抗性激素，茉莉素在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和逆境應(yīng)答過程中有著舉足輕重的作用，被廣泛應(yīng)用于增產(chǎn)提質(zhì)、抗寒防凍、抵御蟲害等。美國和日本等國家已將茉莉素投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,在改善蘋果、葡萄、柑橘等作物的果實(shí)品質(zhì)和防御能力上卓有成效，茉莉素正憑借其強(qiáng)大的抗病蟲害能力躋身于生物農(nóng)藥主力軍的行列。此外，茉莉素還因其特殊的香味，在化妝品領(lǐng)域占據(jù)一席之地。素有“合成茉莉”之稱的二氫茉莉酮酸甲酯作為茉莉素衍生物，是香料界使用最多的產(chǎn)品之一，最早應(yīng)用于迪奧的“Eau Sauvage”香水，現(xiàn)被用于幾乎所有類型的香水中。一份來自于QYResearch的調(diào)研報告顯示：2025年，全球二氫茉莉酮酸甲酯的市場規(guī)模將達(dá)12億元人民幣。茉莉素市場未來可期。
然而，茉莉素主要來源于傳統(tǒng)的植物提取，但植物中的低含量和萃取過程的繁瑣在不同程度上導(dǎo)致生產(chǎn)成本攀升；復(fù)雜的立體構(gòu)型，又給化學(xué)全合成帶來不少挑戰(zhàn)，生產(chǎn)上的種種困境嚴(yán)重限制了茉莉素的規(guī)模化應(yīng)用。
合成生物學(xué)的發(fā)展使得天然產(chǎn)物的異源生產(chǎn)成為可能。自1962年從素馨花中首次發(fā)現(xiàn)并分離茉莉酸甲酯以來，科學(xué)家一直致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途徑在2012年問世。茉莉素在植物中的合成過程較為復(fù)雜，通路長，酶促類型多樣，還涉及中間產(chǎn)物在不同細(xì)胞器間的轉(zhuǎn)運(yùn)：磷脂酶先將 -亞麻酸（ -LeA）從葉綠體膜上釋放； -LeA在葉綠體內(nèi)，由多酶復(fù)合體催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；OPDA在過氧化物酶體中，經(jīng)過3輪 -氧化生成茉莉酸（JA）；JA在細(xì)胞質(zhì)中被轉(zhuǎn)化為下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸異亮氨酸（JA-Ile）等。公認(rèn)安全的釀酒酵母因含有多種細(xì)胞器，被該團(tuán)隊優(yōu)先選擇為茉莉素異源從頭合成的微生物底盤。合成途徑的復(fù)雜度為重構(gòu)工作帶來不少挑戰(zhàn)，其中，在酵母中找尋適合中間體 -LeA和OPDA合成的場所，是途徑重構(gòu)首要解決的難題。
在該研究中，研究團(tuán)隊首先在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。 -LeA在植物的葉綠體中被合成，而酵母缺少葉綠體結(jié)構(gòu)；酵母雖不能從頭合成 -LeA，卻可以在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA的前體。受啟發(fā)于此，該團(tuán)隊嘗試在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。通過在釀酒酵母中引入克魯維酵母來源的FAD，實(shí)現(xiàn) -LeA在酵母的從頭合成（圖2A），但 -LeA的產(chǎn)量僅0.7 mg/L，遠(yuǎn)不夠進(jìn)行下游轉(zhuǎn)化。共聚焦實(shí)驗表明，相關(guān)基因均成功定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（圖2B）。同時，研究人員還基于改造自由脂肪酸的代謝通路（圖2C），將 -LeA的產(chǎn)量提升至51.2 mg/L（圖2D）。
其次，在酵母的細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA。OPDA在植物的葉綠體中被合成，同樣需要在酵母中尋找適合OPDA合成的場所。細(xì)胞質(zhì)和過氧化物酶體是潛在的候選選項：若在細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA，后續(xù)需要OPDA轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)過氧化物酶體完成下游轉(zhuǎn)化；若在過氧化物酶體中合成OPDA，則需要底物 -LeA先行轉(zhuǎn)運(yùn)至過氧化物酶體。考慮到 -LeA在過氧化物酶體中被降解的可能性，該團(tuán)隊嘗試將OPDA合成途徑（LOX、AOS和AOC）定位至酵母的細(xì)胞質(zhì)中。首先對不同來源的LOX進(jìn)行活性篩選（圖3A）和組合表達(dá)，將中間體13-HPOT的產(chǎn)量提升至10.8 mg/L（圖3B）。繼續(xù)引入AOS和AOC，成功實(shí)現(xiàn)OPDA的生產(chǎn)，產(chǎn)量4.9 mg/L（圖3C和3D）。共聚焦實(shí)驗表明，相關(guān)基因均成功定位在酵母的細(xì)胞質(zhì)（圖3E）。
緊接著，在酵母的過氧化物酶體中合成JA。鑒于植物和酵母在 -氧化過程上的相似性，該研究直接模仿植物中JA的合成過程，在酵母中引入保留了自身過氧化物酶體定位肽的相關(guān)酶（OPR、ACS、ACX、MFP和KAT），在過氧化物酶體中成功實(shí)現(xiàn)JA的合成，產(chǎn)量達(dá)9.6 mg/L（圖4A和4B），進(jìn)一步飼喂底物 -LeA，JA的產(chǎn)量可達(dá)19.0 mg/L。
最后，在酵母的細(xì)胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile等衍生物。在產(chǎn)JA的酵母底盤中引入JMT以合成MeJA，產(chǎn)量3.1 mg/L（圖5A和5B）；引入JAR合成JA-Ile，產(chǎn)量7.0 mg/L（圖5C和5D）。
至此，研究團(tuán)隊成功建立了植物激素茉莉素的酵母細(xì)胞工廠。相較于傳統(tǒng)的植物提取，此法在生產(chǎn)上不受時令限制、可規(guī)模化放大，為茉莉素的高效和綠色生產(chǎn)提供了重要的參考。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所羅小舟研究員、Jay. D. Keasling教授和湯紅婷副研究員為本文的共同通訊作者，團(tuán)隊成員湯紅婷副研究員、林淑敏和鄧吉良為文章并列第一作者。該研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委、深圳市科技計劃及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。同時，感謝于濤研究員在脂肪酸代謝通路改造研究上的學(xué)術(shù)討論和寶貴意見；感謝科研助理魏珍琴在項目實(shí)施過程中協(xié)助組織會議討論；感謝化學(xué)與組學(xué)分析平臺為本項目的色譜和質(zhì)譜分析提供強(qiáng)大的硬件支撐。
圖1：茉莉素的生物合成通路。根據(jù)產(chǎn)物類型和合成場所的不同，將茉莉素在酵母中的重構(gòu)途徑分為4個模塊：模塊1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA；模塊2在細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA；模塊3在過氧化物酶體中合成JA；模塊4在細(xì)胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile。灰色代表相應(yīng)化合物在植物中的合成場所。
圖2：在酵母內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成 -LeA。
圖3：在酵母細(xì)胞質(zhì)中合成OPDA。
圖4：在酵母過氧化物酶體中合成JA。
圖5：在酵母細(xì)胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile。
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