中国医科院宋经元研究组利用微生物细胞工厂生产出五种西红花苷

中国医学科学院本草基因组协同创新团队首席专家宋经元研究员课题组,通过构建大肠杆菌细胞工厂实现五种西红花苷的生产。相关研究成果以In vivo production of five crocins in the engineered Escherichia coli为题于2020年3月27日在ACS Synthetic Biology杂志在线发表,并被选为期刊的封面文章。

细胞工厂生产西红花苷示意图

研究发现栀子来源的两个糖基转移酶 (GjUGT94E13和GjUGT74F8) 能够在大肠杆菌中实现催化西红花酸生成五种西红花苷。结合过表达葡萄糖-6-磷酸变位酶pgm基因和UDP-葡萄糖焦磷酸化酶galU基因,加强大肠杆菌内源UDP-葡萄糖生物合成途径,提高其内源UDP-葡萄糖含量,进而提高西红花苷产量。工程菌条件优化实验表明50 mM NaH2PO4-Na2HPO4 缓冲液 (pH 8.0) 加5%葡萄糖是西红花酸糖基化效率最高的反应条件。通过GjUGT94E13和GjUGT74F8的催化,西红花酸 (50 mg/L) 到五种西红花苷的转化率达到59.6%,远高于已报道的微生物UGT的催化活性。

因此,该研究不仅表明植物来源的UGT可以实现五种西红花苷的高效率生产,而且为五种西红花苷的合成生物学研究提供重要参考,同时将推动西红花苷药物开发及临床应用,为中药资源可持续发展奠定基础。

中国医学科学院药用植物研究所博士生浦香东为论文第一作者,徐志超副研究员和宋经元研究员为通讯作者。中国医学科学院药物研究所,重庆市药物种植研究所的相关研究人员为共同作者。该研究得到国家自然科学基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程等项目资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.0c00039

名贵中药材西红花来源于鸢尾科植物番红花 (Crocus sativus) 的干燥柱头,具有活血化瘀、凉血解毒、解郁安神的功效。由于番红花栽培环境严格、人工成本极高,导致其资源匮乏、价格昂贵。西红花被誉为“红色黄金”,大约110,000-170,000朵盛开的番红花仅收获1 kg西红花,其零售价高达2,000-7,000 €/kg。西红花苷是西红花的主要活性成分,西红花苷还被当作香料和食品着色剂使用。西红花苷属于脱辅基类胡萝卜素类化合物,根据葡萄糖苷的数量和位置不同,分为西红花苷I、II、III、IV、V。现代药理学研究显示,西红花苷具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、治疗神经退行性疾病 (如阿尔茨海默症、帕金森病、抑郁症) 等作用。

西红花苷主要依赖于植物化学分离提取,但面临提取工艺复杂、提纯成本高、污染严重等问题。西红花苷III的化学合成已被报道,但其合成路线长、操作繁琐、产率极低,无法满足需求。因此,西红花苷生物合成途径及其合成生物学研究备受关注。


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