微生物合成植物天然产物的细胞工厂设计与构建

孙文涛，李春

（清华大学化学工程系，北京100084）

植物天然产物通常指来源于植物的一类功能性次级代谢产物，主要包括萜烯类、黄酮类以及生物碱等，这些化合物虽然不是植物生存的必须物质，但它们的存在赋予了植物抵抗病虫害以及除草剂等异型生物质（xenobiotic）的潜能，从而提高了植物适应环境和生存的能力[1]。植物天然产物作为药物及药物分子设计灵感的来源，也是新型药物开发的重要资源，这些化合物均在活体植物细胞中积累，意味着其具有低细胞毒性的特性[2]。自公元前2600 年，人类已经开始将植物作为药物使用，迄今为止，来源于植物天然产物的药物占据了全部药物种类的近四分之一，随着传统药物和植物化学研究的发展，越来越多天然产物的功能得以鉴定，并已应用于营养食品和药物制造等领域[3]。

然而，植物天然产物的生产能力严重限制了其研究和应用。由于大多数植物天然产物只能从植物中提取，而且这些化合物仅存在于特定的植物器官中，如甘草酸和紫杉醇分别在甘草的根和红豆杉的树皮中积累[4]，因此植物提取法不但消耗大量的植物资源，并且生产过程中大量酸碱及有机溶剂的使用会造成严重的环境污染及生态破坏，无节制地大规模生产甚至会导致物种灭绝。此外，天然产物在植物体内积累缓慢，且积累量低，人工种植的方式也会面临栽培周期长、大量占用耕地、受气候条件威胁等问题。同时植物中多种结构类似物的存在也使分离过程更加困难，进一步增加了成本[5]。……