来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
植物天然产物因其结构多样性和生物活性，在医药、农药、香精香料等领域具有不可替代的地位，但其复杂结构导致传统提取与化学合成面临成本高、产率低、破坏生态等瓶颈。近年来，合成生物学与代谢工程的深度结合，使得在微生物或异源植物中重建植物天然产物的生物合成路径成为可能。Cour d’avault 等人在《Natural Product Reports》发表的这篇前瞻性综述，系统梳理了植物天然产物代谢工程领域的新策略、里程碑成就及当前仍存的根本性限制，为未来突破指明了方向。文章尤其聚焦于高价值萜类、生物碱和苯丙素类化合物的异源制造，并深入讨论了途径“底盘”优化、酶工程、转运机制以及代谢流重编程等核心议题，堪称该领域从“纸上谈兵”迈向“工业化落地”的关键路线图。
研究背景
植物天然产物（PNPs）涵盖了约20万种已知化合物，其中许多是临床一线药物或其先导化合物，例如抗疟疾的青蒿素、抗癌的长春碱与紫杉醇、镇痛的吗啡等。然而，这些复杂的分子通常在植物中痕量积累，提取过程严重依赖自然资源，且往往需要牺牲整株植物，造成生态环境的巨大压力。尽管有机化学家已发展出精妙的全合成路线，但面对多手性中心、多环骨架和热力学不稳定基团，总收率往往极低，难以满足商业化需求。
因此，利用合成生物学工具，在可快速增殖、遗传背景清晰的微生物（如酵母、大肠杆菌）或快速生长的异源植物（如本生烟草）中，重构并优化完整的生物合成途径，被视为解决供应问题的终极方案。这一策略的核心在于“代谢工程”：将植物来源的酶基因按照逻辑次序组装成人工途径，并通过宿主自身代谢网络提供前体、辅因子和能量，最终实现目标产物的高效合成。
然而，植物天然产物的合成途径漫长且高度区室化，通常涉及内质网、线粒体、叶绿体、液泡乃至细胞壁的协同参与。许多关键酶（如细胞色素P450、UDP-糖基转移酶）依赖特定的氧化还原伴侣蛋白，或者其产物须经转运蛋白跨越膜屏障才能进入下一步反应。这些复杂的调控和转运机制，成为异源重建过程中最难攻克的堡垒。过去十年间，伴随着基因组测序、转录组分析以及功能基因注释技术的爆发性增长，一系列完整的PNP途径被成功解析。与此同时，DNA合成与组装成本的下降，使得大规模的途径重构成为可能。本文正是在这一背景下，对新兴的方法学、标志性成果和尚未克服的瓶颈进行了权威梳理。
研究方法
本综述并非呈现一套独立的原创实验数据，而是对全球多个课题组近期在植物天然产物代谢工程领域所采用的新兴技术路线，进行了系统归纳和批判性分析。作者围绕三个层次展开剖析：
**1. 途径重构与宿主选择的“新规程”**
过去，大多数研究倾向于将整个途径基因同时导入单一宿主。但本文特别强调了一种“即插即用”的模块化构建策略。研究人员先将途径拆分为上游（前体供应）、中游（骨架构建）和下游（后修饰）模块，分别在相容的瞬时表达体系（如农杆菌浸润的本生烟叶片）中进行快速验证，筛选出最优的酶同源物组合、表达强度和N端跨膜区修饰方案。确定最佳模块后，再整合进稳定的染色体或附加体表达体系。在宿主方面，文章着重比较了经典模式生物（酿酒酵母、大肠杆菌）与新兴的非传统酵母（如解脂耶氏酵母）及植物底盘本身（如瞬时转化的烟草、小立碗藓）。非传统酵母通常具备更高的乙酰辅酶A通量或更强的脂质体容纳能力，特别适合于萜类和脂溶性化合物的积累。
**2. 突破区室化与转运限制的集成策略**
解决代谢途径的区室化障碍是方法学上的核心突破。文章系统评述了以下几种策略：（a）酶工程与亚细胞定位重编程：通过截短P450的N端跨膜螺旋，或将其与还原酶在空间上融合，能够将原本定位在内质网或叶绿体的反应有效重导向细胞质或特定细胞器，消除多步反应的传质阻力。（b）转运蛋白的识别与共表达：对于依赖跨膜转运的中间产物（如异喹啉生物碱中的蒂巴因途径），采用转录组共表达分析鉴定候选转运蛋白，并将其与合成途径基因共表达，大幅提高了产物的外排效率和最终产量。（c）合成区室工程：在酵母中人工构建脂滴或过氧化物酶体作为“代谢反应器”，将有毒中间产物限制在微区内，保护宿主细胞的同时富集疏水产物。
**3. 代谢通量的动态调控与中心代谢重编程**
传统的“开关式”过表达常导致代谢失衡和生长停滞。本综述重点介绍了基于生物传感器和高通量筛选的动态调控回路。例如，构建响应丙二酰辅酶A或特定萜类中间体的转录因子传感器，偶联下游酶的适时表达，实现“先生长、后生产”的自动化两阶段发酵。此外，文章还详述了如何利用CRISPR-dCas9激活或干扰系统，在不改变基因组序列的情况下微调内源MVA或MEP途径基因的表达，以及通过基因编辑（如敲除竞争性支路、下调配体合成途径）强力推动碳流朝向目标产物。
研究结果
通过对数十项代表性成果的深度剖析，Cour d’avault等人总结了代谢工程领域在“具体成就”方面的三个跃升性突破：
**里程碑一：复杂生物碱的异源全合成实现“从零到一”**
最引人注目的成就是阿片类物质和长春花碱前体的全合成。在酵母中，研究人员成功构建了包含21个以上酶促步骤的蒂巴因与氢可酮合成途径。通过精密平衡来自植物、哺乳动物甚至细菌的异源酶表达，并协同表达一种关键的膜结合转运蛋白，最终滴度达到毫克每升级别。这是对长度远超常规的复杂真核代谢网络的首次完全功能重建，证明了膜结合酶和转运蛋白的整合不再是不可逾越的障碍。类似地，在烟草叶片中，借助瞬时多基因表达技术，仅用数天时间即实现了抗肿瘤药物长春碱的前体——文多灵和长春质碱的从头合成，总产率较稳定转基因植株提升了数倍。
**里程碑二：萜类化合物的绿色“细胞工厂”接近工业化门槛**
在萜类领域，青蒿酸（青蒿素前体）在酵母中的工程化生产已实现商品化，而本文揭示的最新成果已进一步将目标转向更具挑战的紫杉醇前体和丹参酮。通过对紫杉二烯合酶的定向进化和N端修饰，并结合脂质体工程使酵母内质网增生，紫杉二烯的产量达到了数十克每升的超高浓度。解脂耶氏酵母凭借其天然的高乙酰辅酶A通量和疏水环境，在生产类胡萝卜素和角鲨烯等萜类时展现出惊人的性能，某些产物的细胞干重占比甚至超过70%。这些结果表明，针对特定产物家族选择并深度改造最适合的“超级宿主”，其生产效率正逐步逼近石化产业的利润红线。
**里程碑三：苯丙素与聚酮类产物的“去中心化”合成**
不同于集中在单一细胞器内的途径，苯丙素类途径横跨质体、内质网和细胞质。文章报告了通过重建“代谢子”（metabolon）——即利用蛋白质支架将苯丙氨酸解氨酶PAL、C4H和4CL等连续酶以物理方式锚定在一起——在烟草和酵母中显著提高了白藜芦醇、黄酮类化合物的合成速率，有效避免了有毒中间体的自由扩散。更令人振奋的是，通过引入非天然底物偏好性的突变酶，一些“非天然”的天然产物类似物被创制出来，为新药筛选提供了全新实体库。
除了这些成果，文章还定量比较了不同策略带来的提升幅度：使用亚细胞定位工程可使P450耦合效率提高2-10倍，引入转运蛋白偶联可使某些生物碱产量提高5-20倍，而动态调控策略普遍使产物的产量在保持细胞活力不受损的前提下，较组成型表达提升一个数量级。这些核心数据揭示了代谢工程正在从“能合成”向“高效益合成”发生质变。
讨论与展望
尽管成就斐然，综述的后半部分以“残留限制”为镜，冷静地指出了领域将长期面临的深层挑战。首先，酶的混杂性与产物谱系的“迷雾”是根本性的生化难题。植物进化出的绝大多数天然产物合成酶并非绝对专一，在异源细胞环境中，这种底物宽泛性常导致产生多达数十种副产物，不仅分流了碳通量，还带来了昂贵的纯化成本。目前的解决思路——酶定向进化和理性设计——仍高度依赖对酶结构-功能关系的深厚理解，而多数植物P450和糖基转移酶的晶体结构依然未知。
其次，途径的“不可见部分”——转运蛋白、调控因子和支架蛋白——仍然是最大的黑箱。超过90%的植物天然产物途径尚未鉴定出其相应的转运蛋白，这导致产物的跨膜储存路径被人为阻断，往往出现“合成了却留不住、毒素反噬细胞”的困境。作者展望，冷冻电镜与单细胞多组学技术的发展，有望系统性解码这一沉默的伴侣层。
最后，宿主细胞对异源途径的全局性应激响应常被忽视。过表达大量膜蛋白会激发内质网应激和未折叠蛋白反应，导致菌种退化与生产不稳定。因此，未来工程的重点必须从单纯的“模块堆砌”转向“宿主驯化”——即利用适应性实验室进化和基因组尺度代谢模型，培育出能容忍异源代谢负荷的专性底盘细胞。
Cour d’avault等人预见，下一代代谢工程将进入“全细胞设计”阶段。CRISPR介导的无痕多重基因组整合，结合深度学习辅助的蛋白质设计，将使科学家能够像编写代码一样对植物代谢途径进行任意改写。而体外无细胞合成体系或基于液滴的微流控超高通量筛选平台，将加速这一“设计-构建-测试-学习”循环。彻底改变植物天然产物的供应模式，并使自然界中微量的、甚至植物体内本不存在的“类天然”分子走向大规模应用，已不再是科学幻想。
参考来源
> Courdavault, V., O’Connor, S., Jensen, M., & Papon, N. (2020). Metabolic engineering for plant natural products biosynthesis: new procedures, concrete achievements and remaining limits. *Natural Product Reports*, 37(6), 827-838. DOI: 10.1039/d0np00092b
DOI: 10.1039/d0np00092b