基于异戊烯醇的萜类合成新途径

萜类化合物作为在食品、医疗和化妆品行业中有着广应用前景的天然产物，是目前被大量关注和研究的一类高附加值产品。

随着环保意识的日益提高和基于可持续生产的考量，以微生物生物合成替代自然提取或化工合成已成为大规模生产的最具商业可行性的选择。生物合成依赖于宿主体内的甲羟戊酸途径（MVA）或赤藓糖磷酸酯途径(MEP）来提供萜类共同前体异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。

这些途径本身受碳的限制，能量效率较低，导致了类异戊二烯生物合成很难实现高通量及高产量，是阻碍生物合成萜类工业化生产的主要限制因素之一。同时其会与宿主争夺生存所需的能量和物质等，比如在酵母中，典型的萜类前体与对酵母生存至关重要的甾醇的生物合成紧密相连。

近期，中国农业科学院农业基因组研究所的黄三文等人在PNAS发表文章”Engineering a universal and efficient platform for terpenoid synthesis in yeast”，为解决酿酒酵母高产萜类物质和菌株良好生长这一矛盾提供了一种思路。

作者通过在酿酒酵母中引入异戊烯醇两步磷酸化利用途径（isopentenol utilization pathway, IUP)，结合外源添加常见的化工原料异戊烯醇及戊烯醇，成功使宿主体内的IPP/DMAPP产量提高147倍，达到1.2μmol/g DCW。

作者进一步以此建立了高效合成二、四萜前体香叶基香叶基焦磷酸（geranylgeranyl Diphosphate, GGPP）的三步合成路线，使GGPP的合成水平提高了374倍，达到0.9μmol/g DCW，同时避免了与宿主依赖法尼基焦磷酸（farnesyl diphosphate, FPP）合成甾醇的竞争。

随后以此平台概念性验证了所有萜类化合物类型的完整合成途径，有效提高了包括单萜（柠檬烯）、倍半萜（紫穗槐二烯）、二萜（紫衫烯）、三萜（香树脂醇）和四萜（番茄红素）等萜类化合物的产量（2-27倍），为支持酵母中萜类化合物的合成提供了一个通用有效的平台。

综上，通过外源引入异戊烯醇利用途径并添加相对廉价的异戊烯醇/戊烯醇，可以有效提高宿主内的IPP/DMAPP浓度，为实现萜类物质高产的同时，有效减少与宿主自身生长资源的竞争提供了一条很好的解决方案。