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)上的種種困境嚴重限制了茉莉素的規(guī)?；瘧?yīng)用。

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、柑橘等作物的果實品質(zhì)和防御能力上卓有成效，茉莉素正憑借其強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)模將達到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)上的種種困境嚴重限制了茉莉素的規(guī)?；瘧?yīng)用。 2023年11月14日，中國科學(xué)院深圳先進技術(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 期刊發(fā)表了題為：Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates 的研究論文。 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，建立微生物細胞工廠以實現(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)?；瘧?yīng)用鋪平道路。 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)物在不同細胞器間的轉(zhuǎn)運：磷脂酶先將α-亞麻酸（α-LeA）從葉綠體膜上釋放；α-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β-氧化生成茉莉酸（JA）；JA在細胞質(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。 公認安全的釀酒酵母因含有多種細胞器，被該團隊優(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α-LeA和OPDA合成的場所，是途徑重構(gòu)首要解決的難題。 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α-LeA；模塊2在細胞質(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。 在該研究中，研究團隊首先在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成α-LeA。α-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α-LeA，卻可以在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成α-LeA的前體。受啟發(fā)于此，該團隊嘗試在酵母的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成α-LeA。通過在釀酒酵母中引入克魯維酵母來源的FAD，實現(xiàn)α-LeA在酵母的從頭合成（圖2A），但α-LeA的產(chǎn)量僅0.7 mg/L，遠不夠進行下游轉(zhuǎn)化。共聚焦實驗表明，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α-LeA的產(chǎn)量提升至51.2 mg/L（圖2D）。 圖2：在酵母內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成α-LeA 其次， 在酵母的細胞質(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。細胞質(zhì)和過氧化物酶體是潛在的候選選項：若在細胞質(zhì)中合成OPDA，后續(xù)需要OPDA轉(zhuǎn)運進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α-LeA先行轉(zhuǎn)運至過氧化物酶體。考慮到α-LeA在過氧化物酶體中被降解的可能性，該團隊嘗試將OPDA合成途徑（LOX、AOS和AOC）定位至酵母的細胞質(zhì)中。首先對不同來源的LOX進行活性篩選（圖3A）和組合表達，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，成功實現(xiàn)OPDA的生產(chǎn)，產(chǎn)量4.9 mg/L（圖3C和3D）。共聚焦實驗表明，相關(guān)基因均成功定位在酵母的細胞質(zhì)（圖3E）。 圖3：在酵母細胞質(zhì)中合成OPDA 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β-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現(xiàn)JA的合成，產(chǎn)量達9.6 mg/L（圖4A和4B），進一步飼喂底物α-LeA，JA的產(chǎn)量可達19.0 mg/L。 圖4：在酵母過氧化物酶體中合成JA 最后，在酵母的細胞質(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）。 圖5：在酵母細胞質(zhì)中合成MeJA和JA-Ile 至此， 研究團隊成功建立了植物激素茉莉素的酵母細胞工廠。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)?；糯螅瑸檐岳蛩氐母咝Ш途G色生產(chǎn)提供了重要的參考。

中國科學(xué)院深圳先進院合成生物學(xué)研究所羅小舟研究員、Jay. D. Keasling教授和湯紅婷副研究員為論文共同通訊作者，團隊成員湯紅婷副研究員、林淑敏和鄧吉良為論文并列第一作者。該研究獲得國家重點研發(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)譜分析提供強大的硬件支撐。 羅小舟 ，深圳先進院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，合成生物化學(xué)研究中心執(zhí)行主任、PI，深圳市合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施副總工藝師，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司創(chuàng)始人。2010年于新加坡南洋理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2016年于美國圣地亞哥斯克里普斯研究所獲得化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位（導(dǎo)師Peter G. Schultz院士），2016-2019于加州大學(xué)伯克利分校進行博士后研究（合作導(dǎo)師Jay D Keasling院士）。2019年加入中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院。在 Nature、Nature Chemical Biology、Cell Chemical Biology、Nature Synthesis、PNAS 等知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文30余篇。課題組聚焦于合成生物學(xué)領(lǐng)域中生命體內(nèi)生物化學(xué)過程相關(guān)研究，主要結(jié)合遺傳密碼擴充技術(shù)，酶的定向進化，基因挖掘和代謝工程等多種化學(xué)生物學(xué)方法，基于大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)及高通量自動化，深入研究多種不同類別的天然產(chǎn)物及其衍生物的生物全合成的方法，并利用合成生物學(xué)方法，將研究成果轉(zhuǎn)化至制藥、個性化治療、新材料等領(lǐng)域。

本文由“健康號”用戶上傳、授權(quán)發(fā)布，以上內(nèi)容（含文字、圖片、視頻）不代表健康界立場?！敖】堤枴毕敌畔l(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務(wù)，如有轉(zhuǎn)載、侵權(quán)等任何問題，請聯(lián)系健康界（jkh@hmkx.cn）處理。

關(guān)鍵詞:

Nature,過氧化物酶體,釀酒酵母中,OPDA,茉莉素,羅小舟,細胞質(zhì),生物學(xué),葉綠體,子刊,激素,植物,團隊,實現(xiàn),首次,酵母,JA,通路

相關(guān)知識

Nature子刊：首次性行為、首次生育時間，已經(jīng)寫在了基因里
《Nature》子刊發(fā)布中國科學(xué)家普洱茶研究成果 揭示其降脂機制
Nature子刊：朱正江團隊發(fā)現(xiàn)蛋白激酶RIPK1對饑餓應(yīng)激的代謝調(diào)控機制
Nature子刊：徐勇/劉峰團隊發(fā)現(xiàn)新型瘦素調(diào)控蛋白，帶來減肥新方法@MedSci
Nature子刊：陳子江院士團隊揭示母親肥胖對圍產(chǎn)期及子代健康的影響
妃莉婭新品玫瑰酵素果凍引領(lǐng)2015微商 妃莉婭玫瑰酵素果凍價格
初春茶養(yǎng)生 首選茉莉花
重磅！《自然》正刊又發(fā)文，暨南團隊發(fā)現(xiàn)“減肥”新靶點
Nature子刊：移植瘦子的腸道菌群，能夠改善肥胖患者健康
啤酒酵母粉

網(wǎng)址: Nature子刊：羅小舟團隊首次實現(xiàn)在釀酒酵母中從頭合成植物激素茉莉素 http://m.u1s5d6.cn/newsview460480.html