《表3 微生物合成生物碱类化合物》

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《植物天然产物的微生物合成与转化》

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生物碱是一类含氮的杂环化合物，是中草药中的活性成分，在许多情况下，可用于医药用途，如止咳成分可待因、麻黄的抗哮喘成分麻黄碱、阿片中的镇痛成分吗啡、颠茄的解痉成分阿托品等[64]。生物碱根据含氮结构的不同可分为多种类型，且不同类型的生物碱都有其特定的合成途径，如吲哚生物碱由莽草酸途径合成色氨酸进而生成吲哚类生物碱，已有一些研究开创性地在酵母或大肠杆菌等微生物细胞中构建了复杂的生物碱合成途径，如异胡豆苷[65]和阿片类药物[66]等。近年来在罂粟中发现了一个由10个基因合成紫堇碱的生物途径[67]，实现了氢化小檗碱和去甲劳单碱[68]的微生物生物合成。目前最具有挑战的是那可丁合成途径的解析和重构，那可丁是一种天然的苯酞喹啉生物碱类药物，其传统的生产方式是从罂粟中提取，是一种安全的非麻醉性镇咳药物，在全世界已有50多年的使用历史。同时那可丁还被证明具有抗癌活性，但其治疗癌症所需的剂量远高于用作咳嗽抑制剂时的剂量，因此市场需求量逐渐增大。由于罂粟种植需要极其严格的管控措施且易受到害虫、气候等因素的影响，使其市场供应有较大的不稳定因素，因此研究者着眼于微生物从头合成喹啉生物碱。那可丁的微生物合成需要表达25个异源基因，且中间产物的含量极低难以检测，同时这些来源于植物的基因多数位于复杂的细胞器上，如位于膜结构上的酶有七个，其中包括五个细胞色素P450酶，这也增加了构建其微生物合成途径的难度[69]。但是值得一提的是目前已有研究者实现了利用酿酒酵母从头合成那可丁，在整个合成途径中过表达了6个内源基因，同时异源表达了分别来源于细菌、植物和哺乳动物等生物的25个基因，再通过酶工程、代谢途径和发酵条件优化等手段，使那可丁的浓度达到了2.2 mg/L，比初始菌株提高了18000倍[70]。此外，长春碱和长春新碱是应用最为广泛的2种天然植物抗肿瘤药物，广泛应用于何杰金氏病、急性淋巴细胞型白血病、恶性淋巴肿瘤等疾病的治疗。目前长春碱和长春新碱的部分合成途径已经被解析，是由3α（S）-异胡豆苷分别经过多步酶促反应生成文多灵和长春质碱，再由两者缩合生成α-3，4-脱水长春碱，进而生成长春碱和长春新碱。2015年英国约翰英纳斯中心的Brown等[65]在酿酒酵母中成功重构了3α（S）-异胡豆苷的合成途径，实现了3α（S）-异胡豆苷的从头合成，产量达到0.5 mg/L，但是到目前为止长春碱和长春新碱的微生物合成途径仍在探索中。表3中总结了近几年利用微生物细胞工厂合成生物碱的实例，及其在合成途径中不同酶的来源。