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许平研究团队在利用CO2合成植物天然产物研究中获突破性进展

主要完成人: 发表日期:2016-05-03 点击数:892

    早在100多年前,光化学之父Giacomo Ciamician提出真正的绿色合成是采用类似植物的方式来生产化学物质,然而到底如何实现这样的绿色合成,尤其是植物天然产物的绿色合成,困扰了学界多年。近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室许平团队在利用CO2生产植物天然产物的合成生物学研究中获突破性进展,英国皇家化学会的著名新闻刊物Chemistry World以“Bacteria seeded with synthetic pathways”为题专门报道了这项开创性的研究(http://www.rsc.org/chemistryworld/2016/04/bacteria-living-chemical-synthesis)。

    蓝藻具有与植物叶绿体相近的光合组分,使得其成为表达外源植物基因的理想宿主。许平团队对聚球藻PCC7942进行了遗传改造,使其含有植物源酶,获得了一批可以生产系列苯丙烷类化合物的工程菌株。苯丙烷类化合物对植物至关重要,可以防护紫外线和防御病原菌。其中,当重组蓝藻表达酪氨酸解氨酶、对香豆酸CoA合酶以及芪合酶时,可以产生白藜芦醇。这种物质多见于葡萄皮和其他浆果类,可以减少心脏疾病的风险,是一种高值的药物。其他的工程菌还能够生产抗氧化剂咖啡酸、柚皮素和对香豆酸等高药用价值化合物。此外,研究团队通过解反馈抑制酶的引入使得这些化学物质的产量大大提高。

    相比于农作物收割,用微生物生产这些化合物更为经济可持续。以生产一吨白藜芦醇为例,在目前的产量水平下大约可以节约7275亩(485公顷)的土地。而且该技术是完全绿色的,仅需要水,二氧化碳和一些无机盐,利用蓝藻就完全可以光合自养合成这些化学物质,可以像种植和收割庄稼一样“种植”植物来源天然产物。美国威斯康星可持续技术研究中心的执行主任Paul Fowler称,“这种方法以高值化合物为目标,巧妙地避开了光合生产的经济性挑战,商业化该技术将不需要建造世界级的大型(化)工厂”。

    目前最大的挑战在于将液体中的产物提取至工业级的量,在后续的研究中,仅需要将这些产物的量达到克每升水平,就可以成功的进行商业化生产,将带来巨大的经济、社会和环境效益。该研究由博士后倪俊和陶飞副研究员与其他合作者完成(http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/gc/c6gc00317f)。这是许平教授团队继去年利用蓝藻光合生产C3平台化合物(Green Chemistry, 2015, 17, 3100–3110)和乳酸(Scientific Reports, 2015, 5:09777)之后,在利用二氧化碳光合自养生产化学品研究方面的又一重要突破。