来源：Microb Cell Fact | 编译：DNA Lab Space
**导语**
QS皂苷（如QS-21）是源于南美皂树的强效疫苗佐剂成分，其天然提取面临资源匮乏、组分复杂等瓶颈。近年来，合成生物学与代谢工程的交叉融合为这类珍贵分子的异源制造开辟了新路径。一篇近日发表于《Microb Cell Fact》的综述系统梳理了QS皂苷异源生物合成的最新进展，深入解析了从途径基因挖掘、酶催化机制到微生物细胞工厂构建的关键技术链条，展现出替代传统提取、实现结构多样化衍生与绿色规模化生产的巨大潜力。
研究背景
皂苷是一类结构复杂、生理活性多样的植物次生代谢产物，广泛用作表面活性剂、免疫刺激剂、抗肿瘤候选药物等。其中，从南美皂树（*Quillaja saponaria*）树皮中分离得到的QS皂苷家族，因卓越的免疫增强活性而备受瞩目。以QS-21为代表的酰化三萜皂苷，已被用作为带状疱疹疫苗、疟疾疫苗、新冠重组蛋白疫苗等关键佐剂组分，能显著提升抗原特异性抗体与T细胞应答。然而，QS皂苷的天然来源极度受限——皂树生长缓慢，树皮采集破坏生态，且提取产物为数十种结构类似物的混合物，纯化难度极大，批次间一致性难以保证，严重制约了新型疫苗的研发与全球供应。
合成生物学的兴起为植物天然产物的异源生产带来了变革性机遇。通过将完整的生物合成途径重构至微生物（如酿酒酵母、毕赤酵母）或植物底盘（如本氏烟）中，可实现目标分子的定向、高效、可编程生产。QS皂苷作为高度氧化的三萜类化合物，其生物合成涉及细胞色素P450单加氧酶（CYP）的连续羟基化、糖基转移酶（UGT）的多步糖苷修饰，以及酰基转移酶介导的复杂支链装配，途径长、酶元件众多且底物选择性严苛，异源重构难度极高。近五年，随着基因组学、转录组学和代谢组学技术的飞速发展，QS皂苷合成的关键遗传信息被逐步解码，模块化途径组装、酶工程改造与宿主代谢优化等策略不断涌现，使这一“植物化学珍宝”的微生物制造逐步从概念走向现实。
该综述由天津大学生物合成课题组完成，系统梳理了QS皂苷异源生物合成研究中基因挖掘、途径解析、底盘构建及技术整合的前沿进展，为后续突破提供了全景视角。
研究方法
文章作为一篇研究进展综述，其核心方法不是独立的湿实验，而是对近二十年来QS皂苷异源合成领域关键研究的系统归纳与批判性评价。其技术线索可凝练为以下逻辑主线：
**1. 生物合成途径的逐步解码**
研究者首先回溯了QS皂苷母核——齐墩果酸骨架的形成途径，即经典的甲羟戊酸（MVA）途径或甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径合成2,3-氧化鲨烯，经β-香树素合酶（β-AS）环化生成β-香树素，再由CYP716A亚家族氧化酶催化C-28位氧化为齐墩果酸。在此基础上，综述系统整合了多个转录组测序项目（如树皮、嫩叶、毛状根组织特异性文库）的差异表达分析，挖掘出CYP716、CYP72、CYP94等分支氧化酶及UGT73、UGT74、UGT91等糖基转移酶候选基因。关键酶的异源表达与体外活性验证（如通过本氏烟瞬时表达或酵母微粒体酶活测定）成为锁定功能元件的金标准。
**2. 途径模块化重构与底盘适配**
为解决长途径在异源宿主中的适配难题，研究者普遍采用“分而治之”的策略。首先将完整途径切割为前体模块（β-香树素→齐墩果酸）、氧化修饰模块（C氧化、羟基化）、糖苷化模块（逐步添加葡萄糖、半乳糖、木糖、鼠李糖等）及酰基化模块（连接芳香酯或脂肪酸侧链），分别利用酿酒酵母、毕赤酵母或本氏烟进行独立优化。优化手段包括：启动子工程的转录精细调控、CYP氧化酶与还原酶伴侣（CPR）的适配性定向进化、UGT酶底物口袋的理性设计以消除副反应，以及细胞器区室化策略（如将CYP酶定位于内质网，UGT酶定位于细胞质以实现中间体高效传递）。
**3. 多组学与高通量技术驱动元件挖掘**
综述特别强调了新兴技术对加速QS皂苷途径解析的赋能作用。包括利用单分子长读长测序与染色体构象捕获（Hi-C）技术获得皂树高质量基因组，结合代谢物全谱分析（LC-MS/MS分子网络）建立基因簇共表达关联；通过基于机器学习的酶功能预测模型（如CYP-SAFE、UGT-redesign）实现候选基因优先级排序；以及应用自动化克隆和液滴微流控筛选平台对构建的突变体文库进行超高通量功能测试。这些跨尺度技术大大压缩了从植物基因资源到微生物功能元件的转化周期。
研究结果
综述凝练出的核心进展可从途径解析、底盘突破与产物多样化三个维度加以概括。
**途径解析突破**
多团队协作成功鉴定了QS皂苷母核修饰的全部氧化与糖基化关键酶。其中，CYP716A亚家族成员被证实负责齐墩果酸C-16α与C-23位的顺序羟基化，生成皂皮醇（quillaic acid）——这是QS皂苷区别于常见皂苷的标志性氧化产物；CYP72家族成员进一步在C-22位引入羟基，完成母核的全面活化。更令人振奋的是，针对QS-21特有的线性四糖链（葡萄糖-半乳糖-木糖-鼠李糖）与分支酰基侧链，研究人员通过体外串联反应确定了首个缺陷型酵母平台中实现C-3位半乳糖首步糖基化的UGT73CX亚家族成员，并成功重构了完整四糖链延伸路径。酰基化模块则鉴定了来自皂树的BAHD家族酰基转移酶，能够识别不同链长的脂肪酰基辅酶A供体，这一发现为佐剂活性必需的长链脂肪酯基的定向引入扫清了障碍。
**微生物细胞工厂构建**
在酿酒酵母底盘中，通过强化MVA途径（过表达tHMG1）、阻断竞争性甾醇合成支路（ERG7失活）、扩充胞内膜库（ICE2过表达）等经典三萜底盘工程改造，β-香树素产量已达克级/升级别，齐墩果酸产量亦突破10 g/L。在此基础上，导入CYP氧化模块后，皂皮醇的产量已达中等水平（数百毫克/升）。更精细的糖基化与酰基化组装虽仍面临效率瓶颈，但在毕赤酵母中已实现携带完整四糖链的QS皂苷前体（QS-7类似物）的合成，摇瓶产量达毫克级，较五年前提升逾百倍。此外，利用本氏烟瞬时超表达体系，实现了QS皂苷途径的快速重构，产生的皂苷混合物佐剂活性与天然提取物相仿，展示出植物分子农业路径的独特优势。
**结构多样化与活性关联**
异源平台的建立不仅提供了稳定供应渠道，更打开了理性设计结构类似物的大门。通过酶底物宽泛性探索与模块化组合，研究人员已合成逾20种非天然QS皂苷衍生物，明确揭示了C-28位的糖酯化模式对细胞毒性及佐剂活性的精细调控规律：特定长度的脂肪酰基链（如C12）能够显著提升Th1型免疫应答而无明显溶血性，这为开发增强型、低毒性的新型佐剂提供了直接分子基础。另外，组合生物合成策略获得了糖链缩短、活性保留的简化类似物，其总合成长度缩短近4步，展现了异源途径的衍生化潜力。
讨论与展望
QS皂苷异源生物合成已跨越“从无到有”的筑基阶段，正步入“从有到优”的系统优化深水区。当前主要瓶颈集中体现在三方面：途径末端酰基化反应的催化效率低下与底物传递受限，导致最终活性成分得率远低于工业化门槛；长途径引入引发的宿主代谢负荷与氧化毒性积累尚未有效缓解；大规模发酵中产物不稳定的问题（如酰基侧链水解）仍需要工程与工艺协同解决。
未来突破将高度倚赖计算与合成生物学的深度交织。一方面，结合AlphaFold-Multimer对多酶复合物空间结构的预测，可设计底物通道以加强代谢物流向，减少中间体无谓消耗；另一方面，全基因组代谢模型与深度学习将指导宿主的全局调控网络重构，实现从初生代谢到次生代谢通量的再分配。同时，非传统底盘（如解脂耶氏酵母、沼泽红假单胞菌）因其独特的乙酰辅酶A供应与胞内膜系统可能开辟新的高产平台。
更令人期待的是，异源合成体系将不再是天然的简单复制，而是具备“超自然”能力的创造引擎——通过酶宏基因组的定向挖掘与从头设计，人们或将研制出结构更稳定、活性更卓越的非天然QS类佐剂分子，推动疫苗佐剂的个性化定制。从百年老树皮到酿酒酵母的一滴培养液，QS皂苷的异源生物合成不仅是技术迭代的典型案例，更预示着一个由合成生物制造驱动的高值分子绿色供应的新时代正在开启。
**参考来源**
Tian Y, Zhang W, Tang M, Wen M, Qiao J. Advances in the heterologous biosynthesis of QS saponins: a review. *Microb Cell Fact*, DOI: 10.1186/s12934-024-02560-3.