合成生物学时代背景下植物资源的开发与利用

于雪莹，李春英，赵春建，杨 奕

（东北林业大学化学化工与资源利用学院，哈尔滨150040）

1 合成生物学时代背景

合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术之间相互交叉的一个新兴领域。核心技术是将复杂的生命系统拆分成各个功能原件，对其进行标准化和模块化的定义，通过设计、模拟和实验实现对生物原件的生物设置，直至构建一个新的生物系统，包括生物燃料、生物修复、大宗化学品、医药等精细化学品生物材料的生产和应用[1]。随着合成生物学时代的到来，法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）和美国化学家珍妮弗·杜德纳（Jennifer A.Doudna）发现了基因编辑技术中CRISPR /cas9 基因剪刀，获得了诺贝尔化学奖，这种工具可以非常精准地改变动物、植物和微生物的DNA，为植物育种带来了新机遇，有望催生创新性癌症疗法[2]。

合成生物学已被中国科技部视为优先领域，被列为国家重点研发计划，也列在中国科学院公布的《创新2050：科技技术与中国的未来》的报告中，是中国现代化关键战略技术之一。由于石油等资源不断被开采利用，利用合成生物学技术对纤维素、木质素等植物再生资源开发生物燃料已经成为必然趋势。合成生物学技术应用于大宗化学品的生产、手性化合物的合成、抗生素等制药生产工艺流程、香兰素和其它食品调味剂的合成、维生素的生产等领域。合成生物学时代背景下的可持续发展和绿色环境友好型生产工艺越来越多的应用于植物资源的开发利用方面。

2 次生代谢产物生物合成和植物抗性改造

次生代谢产物萜类、生物碱、苯丙烷类衍生物这些的生物合成途径的研究是开展合成生物学的基础。例如，所有的萜类都来自于一个共同的前体异戊烯基二磷酸（isopentenyl diphosphate, IPP）。IPP 在IPP 异构酶的作用下形成dimethylallyl diphosphate（DMAPP），IPP 和DMAPP 在异戊烯基转移酶的作用下形成geranyl diphosphate（GPP）、farnesyl diphosphate（FPP）和geranylgeranyl diphosphate（GGPP），倍半萜合酶的起始底物为FPP，经过最初的离子异构化后环化形成各种阳离子中间产物，最终通过去质子反应或捕获亲核试剂，进一步环化形成一系列的倍半萜，GGPP 环化产生二萜。三萜由鲨烯合成，四萜由植烯合成。例如，青蒿素的生物合成途径是由MVA 途径和MEP 途径提供IPP，经催化后形成FPP。经过紫穗槐二烯合成酶、细胞色素P450 单氧化酶等生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸，再经过二氢青蒿醇、二氢青蒿醛和二氢青蒿酸的合成，最后在植物体内合成了青蒿素。

在植物抗性改造方面，中国最成功的案例就是袁隆平团队在新疆喀什地区岳普湖县巴依阿瓦提乡pH酸碱度7.8 的重度盐碱土地的海水稻试验基地水稻再一次获得丰收，2020年秋亩产已经达到300 公斤。目前中国有超过140 亿亩的盐碱地，合成生物学技术创新会为粮食的生产做出巨大贡献。

3 植物资源的种植与鉴定

人工培植的植物资源是开发利用的基础。栽培药用植物时，野生类型与栽培类型之间存在较强的基因交流，应用分子谱系地理学研究药用植物的道地性遗传基础和栽培起源具有很好的广阔前景。从样本提取总DNA，进行PCR 的扩增和测序、引物筛选和设计，基于DNA 序列分析的基础上，进行居群分析和遗传结构分析，收集用不同分子标记测定的多种植物cpDNA 多样性，具有较高的遗传多样性的植物是由于其分布跨越了较宽的地理范围和高度的遗传分化。测定遗传结构和遗传分化等分子生物学技术的应用解决了种质资源的混在，造成品种并不纯、异交衰退等问题，对植物的引种栽培方案的制订和野外资源的保护具有指导意义[3，4]。

植物的分子鉴定是运用DNA 分子标记技术对植物基原进行真伪优劣的鉴定。与传统的植物鉴别方法相比，合成生物时代的技术已经从细胞和亚细胞水平向遗传物质DNA 分子水平发展，更加准确的鉴别近缘品种、容易混淆的品种、珍稀品种等样品的鉴定。DNA条形码分析和植物端粒酶技术等新技术的应用已经变得越来越普及。通过对植物端粒长度的变化可以对植物的生长年限进行鉴别[3，4]。

4 精细化学品的开发与利用

合成生物学利用工业水平上的生物催化技术生产纯的单一化学物质的精细化学品包括高果糖浆、阿斯巴甜和一些原料药。例如维生素、半合成青霉素、抗疟青蒿素、抗肿瘤成分紫杉醇等生产。酶催化已经是普遍用于制备维生素和卫生保健产品领域中的重要手性中间体。发酵、酶催化的合成催化、光学活性医药中间体的合成都已经进入商品化生产。例如，获得诺贝尔科学奖项中国药学家屠呦呦研究发现了青蒿素，解决了长期困扰的抗疟治疗失效难题。美国加州大学伯克利分校Keasling 团队2003年在大肠杆菌中合成青蒿酸的前体化合物青蒿二烯，阿米瑞斯生物合成技术公司在2013年利用酵母菌株实现青蒿素大规模的商业化生产[5]。生物合成的制造方式帮助建立精细化学品、工业基础的酶与复杂医药体的合理工程化合成平台。生物合成技术为代谢工程和多酶途径提供技术基础。

5 数据库的应用

在DNA 分子标记技术方面，美国国立生物技术信息中心（National Center for Biotechnology Information,NCBI）和国际生命条形码联盟（International Barcode of Life, IBOL）为标准DNA 条形码序列及相关支持性数据的检索提供服务。国际生命条形码数据系统（Barcode Life Data System, BOLD）提供了DNA 条形码的技术规范和要求。

在网络药理学研究方面，中药系统药理学分析平台与数据库（Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform, TCMSP）是一种独特的中草药系统药理学平台，它能捕捉药物、靶标和疾病之间的关系。该数据库包括化学物质、靶点和药物靶点网络，以及相关的药物靶点网络，以及涉及口服生物利用度、药物相似度、肠上皮通透性、血脑屏障、水溶性等天然化合物的药代动力学特性。STRING 是一个已知和预测蛋白质相互作用的数据库。来自原始生物之间的直接相互作用（和预测）包括来自物理数据库的间接相互作用。此外，蛋白质数据库（Protein Data Bank，PDB）、ChemBio3D Ultra 14.0 三维化学结构绘图软件，SystemsDock 的分子对接服务器也正在被运用于合成生物学领域。

目前，中国已经广泛开展分子对接方面的研究，以确定化合物与受体蛋白之间的相互作用。例如，使用Autodock 4.2.6 软件可以将受体蛋白与目标化合物以及选择性抑制剂进行分子对接。在查阅文献的基础上建立含有配体分子结构的分子库，使用Discovery Studio 2016（DS）软件对分子库的分子结构进行优化，从PDB 数据库下载靶点蛋白，运用DS 中的分子对接（Molecular Docking）技术查看筛选出的配体分子与对应靶点蛋白的非键相互作用情况[6，7]。

随着在微观尺度上精确控制化学反应的纳米机器的发展，热纤梭菌已经成为目前最有希望实现纤维素转化工业化的菌株之一，是一种能够高效的、能直接分解纤维素的嗜热厌氧菌，其转化纤维素的主要产物有乙醇、乙酸、乳酸、CO2和H2等，纤维小体在降解纤维素底物方面具有的优势越来越明显[8]。中国目前在底盘细胞构建、化学品合成的元件设计合成、合成途径创建及合成细胞工厂构建，以及合成生物学基本技术开发方面取得了一系列重要进展，中国合成生物学技术时代的发展必然会大力推动植物资源的开发与利用，成为新的经济增长点。