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遇见/摘要
每逢端午节，挂艾蒿驱邪避疫的习俗传承至今，体现了古人的智慧。然而，艾蒿中驱虫成分的具体成分一直是个谜，市场上也鲜见以艾蒿为原料的驱虫产品。近日，武汉大学药学院联合武汉合生科技公司的科研团队在《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Gene-directed in vitro mining uncovers the insect-repellent constituent from mugwort (Artemisia argyi)”的研究论文，揭开了艾蒿驱虫之谜。
02
遇见/内容
研究团队首先对艾蒿的基因组进行了全面的分析，共挖掘出127个萜类合酶基因（TPS）。通过对这些基因进行系统进化树分析和基因表达情况的研究，最终鉴定了29个代表性的TPS基因。研究人员采用了基因导向的体外挖掘方法，将每个AaTPS与不同的萜类前体合成酶配对（GPPS，NPPS，E,E-FPPS，Z,Z-FPPS），构建了116个独特的酵母表达载体。通过发酵这些工程菌株并使用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析，研究人员成功鉴定了27种单萜和75种倍半萜。
为了精确阐明化合物的结构，研究人员利用酵母底盘菌株，表达已知功能的萜类合酶（TPS），开发了“萜类合酶-萜类化合物”标准品库，建立了含有21种单萜和 106 种倍半萜的化合物库。通过这一标准品库，研究人员从AaTPS的产物中鉴定出了15种单萜和31种倍半萜产物。此外，他们还成功分离了13种倍半萜化合物，并通过核磁共振（NMR）技术进一步确定了它们的结构。在这一过程中，研究人员发现了一个此前从未报道过的新化合物——cyclosantalol。
在系统表征了艾蒿的萜类化合物后，研究人员开始寻找艾蒿中具有驱虫活性的萜类物质。他们先使用表达AaTPSs的酵母菌株粗提取物，搭建了埃及伊蚊的hand-in-cage活性筛选体系进行初筛，锁定了可能具有驱蚊活性的三个基因的产物AaTPS18, AaTPS19, AaTPS24的粗提产物。进一步通过分离纯化三个基因的产物进行驱蚊测试，锁定了AaTPS19的主产物F73，由此确认了艾蒿中驱蚊的物质F73艾蒿醇。
研究团队进一步测试了艾蒿醇对其他害虫的趋避活性，包括对全球公共卫生构成严重威胁的蜱虫，以及农业害虫稻飞虱和盲蝽。测试结果表明，艾蒿醇在低浓度下就对各种害虫展现出了显著的趋避活性，这一发现为艾蒿醇在农业害虫管理和公共卫生领域的应用提供了广阔前景。为了确保艾蒿醇的应用安全性，研究人员还开展了小鼠经口和经皮急性毒性实验，实验结果显示，艾蒿醇具有较高的安全性。
研究人员在新疆北湾——世界上蚊子密度最高的地区之一（每立方米1700只蚊子）开展实地野外驱蚊实验，艾蒿醇的驱蚊效果尤为突出。这一成果不仅为开发新型环保型驱虫剂提供了科学依据，也为艾蒿在传统医学和现代生物技术中的综合利用开辟了新的道路。
回到艾蒿中，发现艾蒿醇在艾蒿中含量极低，这也是之前经典的提取方式无法发现并获得，也是为什么我们的祖先通过经验发现有用，但是一直没有得到科学的利用。为此，研究团队利用合成生物学技术，在酵母中成功实现了艾蒿醇的生物合成，并利用代谢工程手段使5L生物反应器中，滴度提高到2.34 g/L，显示出商业规模生产的巨大潜力。
植物界蕴藏着丰富的天然产物，其中许多生物活性化合物尚未被发现。传统的分离提取方法复杂且受限于植物材料，使得大量低含量、高活性的植物天然产物难以被挖掘和应用。本研究不仅成功揭秘并合成了艾蒿中的驱蚊成分，更为其他高价值植物天然产物的挖掘和应用提供了新方法和新思路。
本研究的共同第一作者为武汉大学药学院博士后、现武汉合生科技有限公司的支瑶博士和武汉大学药学院的代冲博士后，共同通讯作者为上海交通大学的刘天罡教授和武汉大学药学院的鲁丽研究员。该研究得到了武汉合生科技有限公司、国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖北省基础科学中心的资助。
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遇见/致谢
感谢刘天罡教授课题组和鲁丽研究员课题组对本号的支持，感谢该课题组提供本文稿件支持！
1. 上交大刘天罡组Bioresource Technology | “通用”平台化合物GGOH实现多药物的化学半合成
2. 刘天罡/王行环/刘然合作Adv. Sci. | 组合生物合成创制新结构抗膀胱癌化合物
3. 武大鲁丽/刘天罡组New Phytol | 解析南药益智中圆柚酮的生物合成途径
遇见生物合成
合成生物学/天然产物生物合成
姊妹号“生物合成文献速递”
