《Cell Reports》系统生物学和合成生物学在植物天然产物通路解析中的应用

本综述聚焦植物天然产物复杂合成通路解析难题，系统阐述系统生物学（共表达分析、基因簇鉴定等）与合成生物学技术在代谢通路表征和工程优化中的进展，结合吗啡、紫杉醇等案例，展望代谢工程、AI 整合等未来方向，助力绿色高效生产。

　　

植物作为药用化合物的重要来源，其蕴含的天然产物在传统医学和现代药学中均占据关键地位。然而，许多植物来源化合物复杂的生物合成通路尚未完全阐明，极大地限制了其在治疗应用中的潜力。《Cell Reports》的这篇综述系统性地总结了系统生物学和合成生物学在植物代谢通路解析与工程化中的研究进展。

植物天然产物的重要性与研究挑战

植物产生的天然产物可分为初级代谢物、次级代谢物和聚合材料，其中次级代谢物多具有药理活性，如阿司匹林、奎宁等。但植物代谢网络高度复杂，通路常存在冗余且产物含量低、组织特异性强，加之传统提取方法效率低、产物易降解，导致相关研究和生产面临瓶颈。

系统生物学解析代谢通路的多元策略

系统生物学通过整合计算和实验方法，为解析复杂生物系统提供了全面框架。

• 共表达分析：通过分析基因表达数据，筛选共表达基因模块，挖掘代谢通路相关基因。例如在长春碱、紫杉醇等的合成通路研究中，该方法成功鉴定出多个关键基因。ATTED-II、CressExpress 等工具可辅助计算基因表达相似性，揭示组成型共表达关系。

• 基因簇分析：植物次级代谢中存在代谢基因簇，其邻近定位的基因常参与同一代谢通路。燕麦 avenacin 簇中发现非典型糖基转移酶，拟南芥根三萜 thalianol 等新通路的发现均得益于该方法。但植物基因簇分布较细菌、真菌分散，调控更为复杂。

• 代谢物分析：结合基因组学，代谢物分析已阐明苄基异喹啉、单萜吲哚生物碱（MIAs）等多种天然产物通路。不过，代谢物的准确鉴定和注释仍依赖光谱数据库的匹配。

• 深度学习与 GWAS：深度学习模型整合多组学数据，可预测代谢通路中的分子互作。在喜树碱合成中，该方法成功识别细胞色素 P450（CYP450）酶；GWAS 则通过关联代谢物含量与遗传变异，为代谢工程提供靶点。

• 蛋白质复合物鉴定：亲和纯化 - 质谱（AP-MS）、交联质谱（XL-MS）等技术揭示代谢酶多以复合物形式发挥作用。如颠茄中发现的支架蛋白与内质网（ER）定位的 GAME 酶互作，可能介导底物通道以避免毒性中间体扩散。

合成生物学在通路验证与代谢工程中的实践

合成生物学通过在异源宿主中重构代谢通路，实现通路验证和产物高效生产。

• 通路验证：将植物通路基因导入酵母、细菌等模式生物，验证酶功能及通路完整性。如在酵母中重构青蒿素合成通路，不仅确认了各酶促步骤，还实现了工业化半合成生产；罂粟的阿片类生物碱通路在酵母中的重构，为替代植物生产提供了可能。

• 代谢工程优化：通过基因编辑、代谢流调控等手段提升产物产量。在微生物系统中，已成功生产紫杉醇前体、长春碱等；在植物系统中，烟草被改造用于青蒿酸生产，水稻经工程化后可合成虾青素。CRISPR-Cas9 等基因组编辑技术与机器学习的结合，进一步加速了通路设计与优化。

典型案例：复杂天然产物的通路解析

• 吗啡：通过共表达分析和基因簇鉴定，在罂粟中发现 584 kb 的基因簇，包含吗啡合成关键基因 STORR、SALSYN 等，融合蛋白 CYP450 氧化还原酶催化的差向异构化步骤是合成关键。

• 紫杉醇：红豆杉基因组分析揭示 CYP725 家族酶在氧杂环形成中的作用，异源表达实验在本氏烟草和大肠杆菌中实现了紫杉醇前体的合成，最小基因集的鉴定为通路重构奠定基础。

• 长春碱：结合单细胞多组学和代谢组学，在长春花中定位了中间体的细胞特异性分布，酵母中 56 项基因编辑实现了长春碱的从头合成。

未来方向与挑战

• 代谢体工程：天然代谢体通过多酶复合物实现底物通道化，提升代谢效率。未来可借助冷冻电镜、单分子光谱等技术解析其结构动态，并通过合成生物学构建人工代谢体。

• AI 整合：AI 在通路预测（如 AlphaFold 预测蛋白结构）、酶优化（如 ProteinMPNN 设计功能蛋白）中已展现潜力，结合多组学数据可构建更精准的代谢模型。

• 可持续生产：微生物和植物细胞工厂的应用可减少对传统植物提取的依赖，但需解决通路重构复杂度高、异源表达毒性等问题，同时兼顾法规与环境安全。

系统生物学与合成生物学的交叉融合，正推动植物天然产物研究从通路解析向高效生产迈进。随着技术的不断革新，未来有望实现更经济、环保的药物生产模式，为全球医疗和可持续发展提供新路径。