合成生物學時代背景下植物資源的開發與利用

　　摘要：合成生物學是中國現代化關鍵戰略技術之一，目前中國在底盤細胞構建、化學品合成的元件設計合成、合成途徑創建及合成細胞工廠構建，以及合成生物學基本技術開發方面取得了一系列重要進展，中國合成生物學技術時代的發展必然會大力推動植物資源的開發與利用，成為新的經濟增長點。本文詳細的論述了合成生物學在次生代謝產物生物合成和植物抗性改造、植物資源的種植與鑒定、精細化學品的開發與利用等方面的運用，中國合成生物學技術時代的發展必然會大力推動植物資源的開發與利用，成為新的經濟增長點。

　　本文源自國土與自然資源研究,2020(06):68-69.《國土與自然資源研究》(雙月刊)創刊于1979年，是黑龍江省科學院自然資源研究所主辦的科技期刊，原刊名《自然資源研究》，是國內創刊很早的幾份同類期刊之一，1998年7月改為現刊名。

　　1、合成生物學時代背景

　　合成生物學是生物學、工程學、化學和信息技術之間相互交叉的一個新興領域。核心技術是將復雜的生命系統拆分成各個功能原件，對其進行標準化和模塊化的定義，通過設計、模擬和實驗實現對生物原件的生物設置，直至構建一個新的生物系統，包括生物燃料、生物修復、大宗化學品、醫藥等精細化學品生物材料的生產和應用[1]。隨著合成生物學時代的到來，法國生物化學家埃瑪紐埃爾·沙爾龐捷(EmmanuelleCharpentier)和美國化學家珍妮弗·杜德納(JenniferA.Doudna)發現了基因編輯技術中CRISPR/cas9基因剪刀，獲得了諾貝爾化學獎，這種工具可以非常精準地改變動物、植物和微生物的DNA，為植物育種帶來了新機遇，有望催生創新性癌癥療法[2]。

　　合成生物學已被中國科技部視為優先領域，被列為國家重點研發計劃，也列在中國科學院公布的《創新2050：科技技術與中國的未來》的報告中，是中國現代化關鍵戰略技術之一。由于石油等資源不斷被開采利用，利用合成生物學技術對纖維素、木質素等植物再生資源開發生物燃料已經成為必然趨勢。合成生物學技術應用于大宗化學品的生產、手性化合物的合成、抗生素等制藥生產工藝流程、香蘭素和其它食品調味劑的合成、維生素的生產等領域。合成生物學時代背景下的可持續發展和綠色環境友好型生產工藝越來越多的應用于植物資源的開發利用方面。

　　2、次生代謝產物生物合成和植物抗性改造

　　次生代謝產物萜類、生物堿、苯丙烷類衍生物這些的生物合成途徑的研究是開展合成生物學的基礎。例如，所有的萜類都來自于一個共同的前體異戊烯基二磷酸(isopentenyldiphosphate,IPP)。IPP在IPP異構酶的作用下形成dimethylallyldiphosphate(DMAPP),IPP和DMAPP在異戊烯基轉移酶的作用下形成geranyldiphosphate(GPP)、farnesyldiphosphate(FPP)和geranylgeranyldiphosphate(GGPP)，倍半萜合酶的起始底物為FPP，經過最初的離子異構化后環化形成各種陽離子中間產物，最終通過去質子反應或捕獲親核試劑，進一步環化形成一系列的倍半萜，GGPP環化產生二萜。三萜由鯊烯合成，四萜由植烯合成。例如，青蒿素的生物合成途徑是由MVA途徑和MEP途徑提供IPP，經催化后形成FPP。經過紫穗槐二烯合成酶、細胞色素P450單氧化酶等生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸，再經過二氫青蒿醇、二氫青蒿醛和二氫青蒿酸的合成，最后在植物體內合成了青蒿素。

　　在植物抗性改造方面，中國最成功的案例就是袁隆平團隊在新疆喀什地區岳普湖縣巴依阿瓦提鄉pH酸堿度7.8的重度鹽堿土地的海水稻試驗基地水稻再一次獲得豐收，2020年秋畝產已經達到300公斤。目前中國有超過140億畝的鹽堿地，合成生物學技術創新會為糧食的生產做出巨大貢獻。

　　3、植物資源的種植與鑒定

　　人工培植的植物資源是開發利用的基礎。栽培藥用植物時，野生類型與栽培類型之間存在較強的基因交流，應用分子譜系地理學研究藥用植物的道地性遺傳基礎和栽培起源具有很好的廣闊前景。從樣本提取總DNA，進行PCR的擴增和測序、引物篩選和設計，基于DNA序列分析的基礎上，進行居群分析和遺傳結構分析，收集用不同分子標記測定的多種植物cpDNA多樣性，具有較高的遺傳多樣性的植物是由于其分布跨越了較寬的地理范圍和高度的遺傳分化。測定遺傳結構和遺傳分化等分子生物學技術的應用解決了種質資源的混在，造成品種并不純、異交衰退等問題，對植物的引種栽培方案的制訂和野外資源的保護具有指導意義[3,4]。

　　植物的分子鑒定是運用DNA分子標記技術對植物基原進行真偽優劣的鑒定。與傳統的植物鑒別方法相比，合成生物時代的技術已經從細胞和亞細胞水平向遺傳物質DNA分子水平發展，更加準確的鑒別近緣品種、容易混淆的品種、珍稀品種等樣品的鑒定。DNA條形碼分析和植物端粒酶技術等新技術的應用已經變得越來越普及。通過對植物端粒長度的變化可以對植物的生長年限進行鑒別[3,4]。

　　4、精細化學品的開發與利用

　　合成生物學利用工業水平上的生物催化技術生產純的單一化學物質的精細化學品包括高果糖漿、阿斯巴甜和一些原料藥。例如維生素、半合成青霉素、抗瘧青蒿素、抗腫瘤成分紫杉醇等生產。酶催化已經是普遍用于制備維生素和衛生保健產品領域中的重要手性中間體。發酵、酶催化的合成催化、光學活性醫藥中間體的合成都已經進入商品化生產。例如，獲得諾貝爾科學獎項中國藥學家屠呦呦研究發現了青蒿素，解決了長期困擾的抗瘧治療失效難題。美國加州大學伯克利分校Keasling團隊2003年在大腸桿菌中合成青蒿酸的前體化合物青蒿二烯，阿米瑞斯生物合成技術公司在2013年利用酵母菌株實現青蒿素大規模的商業化生產[5]。生物合成的制造方式幫助建立精細化學品、工業基礎的酶與復雜醫藥體的合理工程化合成平臺。生物合成技術為代謝工程和多酶途徑提供技術基礎。

　　5、數據庫的應用

　　在DNA分子標記技術方面，美國國立生物技術信息中心(NationalCenterforBiotechnologyInformation,NCBI)和國際生命條形碼聯盟(InternationalBarcodeofLife,IBOL)為標準DNA條形碼序列及相關支持性數據的檢索提供服務。國際生命條形碼數據系統(BarcodeLifeDataSystem,BOLD)提供了DNA條形碼的技術規范和要求。

　　在網絡藥理學研究方面，中藥系統藥理學分析平臺與數據庫(TraditionalChineseMedicineSystemsPharmacologyDatabaseandAnalysisPlatform,TCMSP)是一種獨特的中草藥系統藥理學平臺，它能捕捉藥物、靶標和疾病之間的關系。該數據庫包括化學物質、靶點和藥物靶點網絡，以及相關的藥物靶點網絡，以及涉及口服生物利用度、藥物相似度、腸上皮通透性、血腦屏障、水溶性等天然化合物的藥代動力學特性。STRING是一個已知和預測蛋白質相互作用的數據庫。來自原始生物之間的直接相互作用(和預測)包括來自物理數據庫的間接相互作用。此外，蛋白質數據庫(ProteinDataBank,PDB)、ChemBio3DUltra14.0三維化學結構繪圖軟件，SystemsDock的分子對接服務器也正在被運用于合成生物學領域。

　　目前，中國已經廣泛開展分子對接方面的研究，以確定化合物與受體蛋白之間的相互作用。例如，使用Autodock4.2.6軟件可以將受體蛋白與目標化合物以及選擇性抑制劑進行分子對接。在查閱文獻的基礎上建立含有配體分子結構的分子庫，使用DiscoveryStudio2016(DS)軟件對分子庫的分子結構進行優化，從PDB數據庫下載靶點蛋白，運用DS中的分子對接(MolecularDocking)技術查看篩選出的配體分子與對應靶點蛋白的非鍵相互作用情況[6,7]。

　　隨著在微觀尺度上精確控制化學反應的納米機器的發展，熱纖梭菌已經成為目前最有希望實現纖維素轉化工業化的菌株之一，是一種能夠高效的、能直接分解纖維素的嗜熱厭氧菌，其轉化纖維素的主要產物有乙醇、乙酸、乳酸、CO2和H2等，纖維小體在降解纖維素底物方面具有的優勢越來越明顯[8]。中國目前在底盤細胞構建、化學品合成的元件設計合成、合成途徑創建及合成細胞工廠構建，以及合成生物學基本技術開發方面取得了一系列重要進展，中國合成生物學技術時代的發展必然會大力推動植物資源的開發與利用，成為新的經濟增長點。

　　參考文獻：

　　[1]林章凜,張艷,王胥,等.合成生物學研究進展[J].化工學報,2015,66(8):2864-2870.

　　[2]劉霞,盧子建.科技日報,2020,10(7),18:15.

　　[3]黃璐琦.展望分子生物技術在生藥學中的應用[J].中國中藥雜志,1995,20(11):643-645+702.

　　[4]黃璐琦,高偉,周雍.合成生物學在中藥資源可持續利用研究中的應用[J].藥學學報,2014,49(1):37-43.

　　[6]于啟蒙,張新超,孟慧琴,等.基于計算機輔助藥物設計研究白術揮發油的主要成分作用靶點及藥效預測[J].化工設計通訊,2020,46(10):152-154+198.

　　[7]孟艷秋,杜良竑,梅宇.基于Bcl-xL靶點的積雪草酸衍生物的合成及生物活性研究[J].中國藥物化學雜志,2020,30(9):526-536.

　　[8]徐惠娟,劉文歡,樊展源,等.熱纖梭菌轉化木質纖維素產乙醇的研究進展新能源進展[J].2020,8(1):28-34.