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内容来源于Nature Communications
2022年5月6日，中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室訾佳辰课题组和中山大学巫瑞波课题组在Nature Communications 发表题为“Rationally engineering santalene synthase to readjust the component ratio of sandalwood oil”的研究论文，报道了檀香挥发油生物制备方法研究的重要进展。![]()
中药药效物质以药效分子群为主要形式。然而，天然产物的合成生物学研究主要针对单体化合物。对于药效分子群来说，其组分比例决定了其药效。因此，建立药效分子群的合成生物学方法，必须既提高产量又调控组分比例，这是该类研究的难点和瓶颈。檀香是资源严重稀缺的中药材，其药效物质是挥发油。该研究首先通过多尺度模拟揭示了檀香烯合酶合成檀香烯类成分的反应路径，同时阐明了催化杂泛性檀香烯合酶（SaSSy）和催化专一性檀香烯合酶（SanSyn）的催化机制，并鉴定了调控产物类型和比例的关键氨基酸。在此基础上，通过理性设计，得到产物比例最优的突变酶SanSynF441V。然后，采用SanSynF441V构建产生檀香烯/檀香醇的细胞工厂。通过系统的代谢工程优化，产量达到704.2 mg/L，并且a-檀香醇、b-檀香醇和α-exo-香柠檬醇的含量分别为43.4%、22%和6.7%，与高品质印度檀香挥发油一致，达到国际标准（ISO 3518:2002）。以上结果表明多尺度模拟是揭示酶催化机制的有效手段，基于机制解析挖掘关键残基的功能可以助力酶催化特征的理性设计改造；而联合酶工程和代谢工程的策略，为建立中药药效分子群、植物药药效成分等高价值天然成分群的异源生物合成体系开拓了具有普适性的研究思路。
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图1. 比较SaSSy, SanSyn和SanSynF441V的活性口袋
药物研究所訾佳辰研究员和中山大学巫瑞波教授为该文的共同通讯作者，暨南大学博士生查文龙（现为药物研究所博士后）和中山大学张帆博士为共同第一作者。全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30294-8近期，在上述研究的基础上，课题组运用定向进化技术进一步改造了檀香烯合酶，提高了其催化效率。通过筛选并过表达应激因子，改善了工程酵母对檀香烯的耐受性。从而将檀香挥发油的产量提高至3克每升，发酵成本仅为优质檀香挥发油市场价格的十五分之一；并完成了中试放大，产量和成分比例均稳定。该技术目前已转让企业。该工作得到了中国医学科学院医学与健康科技创新工程(CIFMS, No. 2021-I2M-1-029)等项目资助。訾佳辰，中国医学科学院&北京协和医学院药物研究所研究员，博导，天然药物活性物质与功能国家重点实验室课题组长，国家级青年人才计划入选者。其课题组主要从事中药药效物质的合成生物学研究，重点围绕药效成分群的形成机制和生物制造方面的瓶颈问题，建立新方法和新策略。目前在檀香挥发油、水飞蓟宾类成分群等药效物质的生物制造研究中取得重要进展。相关结果以通讯作者在Nat. Commun.、Acta Pharm. Sin. B、ACS Catal.和Metab. Eng.等期刊发表论文20余篇。担任中西医结合学会分子生药学专业委员会常务委员、中国医药生物技术协会酶工程与发酵工程专业委员会委员以及北京药学会天然药物专业委员会委员。巫瑞波，中山大学药学院教授、博导。国家高层次人才计划青年项目获得者。研究方向：计算天然药化。主要借助多尺度模拟与大数据挖掘，聚焦于萜类天然产物生物智造与药效挖掘。迄今在Nat Catal，Nat Commun，PNAS，JACS，Angew Chem和ACS Catal等杂志发表通讯作者论文60余篇。曾主持十余项科研基金，包括国家自然科学基金面上项目和广东省杰出青年基金项目等。担任中国化学会计算(机)化学专业委员会委员，中国生物信息学会(筹)计算合成生物学专委会委员，中国植物学会植物整合组学专委会委员。
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