《Journal of Future Foods》：Research Progress of Synthetic Biology Technology in the Development and Utilization of Food and Medicine Homologous Resources
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食药同源资源富含多种活性成分，是营养补充剂和保健产品开发的重要物质基础。然而，相关活性成分主要依赖植物提取获得，面临栽培周期长、天然含量低、质量波动大等问题。同时，传统化学合成路线冗长、缺乏立体选择性，且环境负担较重。因此，这些成分的生物合成引起了研究人员的关
食药同源资源富含多种活性成分，是营养补充剂和保健产品开发的重要物质基础。然而，相关活性成分主要依赖植物提取获得，面临栽培周期长、天然含量低、质量波动大等问题。同时，传统化学合成路线冗长、缺乏立体选择性，且环境负担较重。因此，这些成分的生物合成引起了研究人员的关注。在途径优化、基因编辑和菌株筛选等合成生物学技术的支持下，微生物合成能够实现食药同源资源中活性成分的更可持续生产，并减少环境影响。本综述系统总结了合成生物学驱动的食药同源资源生物活性化合物生物合成的最新进展，包括萜烯与类胡萝卜素、苯丙素类与黄酮类、生物碱、多酚类及多糖类。深入分析了关键的技术挑战，特别强调底盘细胞适应性、关键酶的鉴定与表征、代谢前体和辅因子的平衡以及生物工艺放大。此外，本文展望了一个将人工智能(AI)与合成生物学协同整合的平台，并概述了未来的关键研究方向，包括合成生物学与AI驱动的代谢建模、先进酶工程以及多细胞或无细胞生产系统的整合，旨在为基于合成生物学的食药同源高价值生物活性成分规模化制造奠定坚实基础。
2. 合成生物学的关键技术体系
2.1 基因编辑技术与合成途径设计
对于食药同源资源中的生物活性成分，生物合成途径的解析与关键酶的定位是生物制造的前提。CRISPR-Cas、碱基编辑、CRISPRi/CRISPRa等基因编辑技术能够精确重塑底盘细胞的代谢流。基因编辑不仅用于敲除竞争性分支和增强前体供应，还可将途径模块化，通过表达顺序、强度、翻译后修饰和亚细胞定位实现高效重构，尤其在涉及P450氧化、糖基化、甲基化或类胡萝卜素裂解等复杂反应中发挥关键作用。
2.2 底盘细胞工程
底盘细胞的选择直接影响目标途径的表达与产量。常用底盘包括大肠杆菌、酿酒酵母、产油酵母等。大肠杆菌遗传操作成熟、生长迅速，适合短途径和可溶性酶反应体系；酿酒酵母具有真核内膜系统和良好的翻译后修饰能力，更适合组装涉及P450等复杂途径；产油酵母、丝状真菌和植物细胞平台在乙酰辅酶A供应和疏水产物耐受性方面具有独特优势。
2.3 多基因组装、代谢调控与高通量DBTL
多基因组装策略包括模块工程、蛋白质工程和辅因子工程。复杂途径通常涉及前体供应、骨架合成、氧化修饰、糖基化修饰、产物转运与储存等多个功能模块，因此需要平衡构建效率、表达顺序和模块匹配。对于结构相似、副产物谱复杂的食药同源活性成分，精确的动态调控往往比单纯提高单个酶的表达更重要。整合生物传感器、高通量筛选、自动化构建和机器学习建模的DBTL平台可提高复杂途径的优化效率。
2.4 多细胞共培养与无细胞合成系统
对于步骤长、代谢负担高或存在毒性中间体的途径，单宿主难以兼顾生长与生产。多细胞共培养系统将不同途径模块分配至两个或多个工程菌株中，可减轻代谢负担、减少副产物积累、提高可控性并降低成本。无细胞合成系统利用细胞提取物中的核糖体、tRNA、氨基酸等组分在体外合成目标蛋白，不受细胞生长限制，可独立确定酶比例、辅因子水平和底物投入，适用于复杂途径的快速原型验证、毒性中间体测试、辅因子配置优化以及高价值天然产物的小规模制造。
3. 合成生物学在食药同源资源活性成分开发中的应用
3.1 萜类与类胡萝卜素
萜类和类胡萝卜素是最早建立平台化设计策略的活性成分类别，依赖C5前体异戊烯基焦磷酸(IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)。通过构建甲羟戊酸(MVA)或甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径的统一前体平台，并调控香叶基焦磷酸(GPP)、法尼基焦磷酸(FPP)和香叶基香叶基焦磷酸(GGPP)供应以及萜烯合酶、P450和UGT模块，可实现不同产物的靶向合成。以罗汉果苷V为例，Qu等(2025)在酿酒酵母中首次实现其从头合成，通过前体供应增强、竞争分支抑制、产物降解阻断以及内质网扩张和Ty1介导的多拷贝整合，摇瓶产量达10.25 mg/L，5 L发酵罐达28.62 mg/L。在类胡萝卜素方面，Lee等(2024)在大肠杆菌中构建了从甘油到藏红花酸和藏红花素的完整途径，获得34.77 mg/L藏红花酸及多种糖基化产物；Li等(2024)对栀子GjCCD4a酶进行定向突变，获得催化效率提高25.08倍的N212m突变体，并实现五种藏红花素在大肠杆菌中的从头合成。其他萜类如茯苓酸等仍多处于关键酶挖掘和途径补全阶段，未来需继续关注前体通量再分配、P450电子传递效率提升以及宿主耐受性和转运能力。
3.2 苯丙素类与黄酮类
苯丙素类与黄酮类广泛存在于山楂、铁皮石斛等资源中，通常由莽草酸途径进入芳香族氨基酸，再经苯丙氨酸解氨酶(PAL)、4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)、查尔酮合酶(CHS)和查尔酮异构酶(CHI)等关键酶构建核心骨架。其生物合成挑战在于代谢分支间的底物竞争和极为复杂的副产物谱。Qian等(2025)在解脂耶氏酵母中构建了葛根素的完整生物合成途径，优化2-羟基异黄酮合酶(2-HIS)与CPR的表达比例后，大豆苷元达201 mg/L，引入C-糖基转移酶PlUGT43后实现葛根素从头合成，5 L高密度发酵达482 mg/L。多菌株共培养策略将前体生成、中间转化和终产物合成分配至不同菌株，可显著提高多种植物源苯丙素类的从头合成性能，并增强模块互换和产物谱扩展的灵活性。
3.3 生物碱
生物碱类活性成分工程难度较高，代表性分子包括石斛碱、小檗碱和咖啡因。其途径长、中间体毒性强，对宿主的膜系统兼容性和耐受性要求高。Srinivasan等成功在酵母中重建了药用托品烷生物碱的合成途径；Hao等(2024)鉴定并验证了莲中NnCYP80A和NnCYP80G分别介导C-O偶联和C-C偶联的功能，为莲生物碱骨架多样化提供了直接酶学证据。然而，苄基异喹啉生物碱在酵母中的异源重建总产量仍较低，主要受限于长途径组装、植物源P450表达效率不足以及中间体对宿主生长的抑制。石斛属生物碱研究仍多停留在转录组分析和候选基因筛选阶段，距离闭环途径和稳定生物制造尚有较大差距。咖啡因结构虽较清晰，但嘌呤代谢与甲基供体利用的耦合仍是挑战。
3.4 多酚类与酚苷类
多酚类活性成分面临丙二酰辅酶A供应不足、与宿主核心代谢的前体竞争以及产物/中间体对膜系统的损伤等挑战。膜工程通过调控游离脂肪酸重塑膜环境，可提高微生物对植物多酚的耐受性和积累能力。天麻素是代表性酚苷，其合成途径较短，核心是莽草酸途径导向4-羟基苄醇，再经末端糖基化。Wu等(2024)在解脂耶氏酵母中通过强化莽草酸途径、减弱芳香族氨基酸竞争和优化外源合成模块，实现葡萄糖到天麻素的高效合成，5 L发酵罐产量达13.22 g/L；Gu等(2024)通过系统基因组重构进一步将产量提升至13.4 g/L；Hu等(2025)结合ARTP诱变、高通量筛选和转录组分析，将摇瓶水平推进至13.1 g/L。这些案例提供了可复现的方法学框架：先闭合合成途径，再围绕前体供应、产物降解抑制和动态调控进行系统重构，最后通过放大验证实现工业化。
3.5 多糖
多糖的活性取决于分子量分布、单糖组成、糖苷键类型、分支度、酯化/乙酰化修饰及空间构象等多重因素。当前合成生物学研究重点在于阐明“何种结构对应何种功能”以及“哪些关键酶决定结构单元的形成”。Yue等(2024)系统阐释了枸杞果胶多糖(LBPPs)的生物合成途径和糖转运系统，重构了较为完整的枸杞果胶合成框架，并鉴定出与RG-I合成相关的关键酶RRT3020。Yang等(2025)对不同发育阶段铁皮石斛茎进行转录组分析，筛选出一组与多糖合成相关的关键候选基因，为供体糖构型、聚合调控和分子育种提供了基因资源。多糖研究正从传统提取分离向生物合成机制解析和结构可控制造方向转变，现阶段优先实现结构相对明确的寡糖、RG-I片段或局部果胶模块的精准制造。
3.6 氨基酸及氨基酸衍生功能成分
氨基酸及其衍生物包括γ-氨基丁酸(GABA)、茶氨酸、麦角硫因、鸟氨酸及芳香族氨基酸衍生代谢物等。其生物合成途径通常较短，代谢调控清晰，发酵平台成熟，是合成生物学产业化可行性最高的类别之一。谷氨酸棒杆菌、大肠杆菌、乳酸菌和酿酒酵母等底盘已被工程化，通过前体供应增强、反馈抑制解除、氮代谢优化、辅因子平衡、转运蛋白工程和代谢通量动态调控等手段提高氨基酸生物合成能力。例如，GABA可由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶合成，工程策略聚焦于谷氨酸供应、脱羧酶活性、胞内pH优化和产物外排；茶氨酸通过茶氨酸合成酶或γ-谷氨酰连接酶相关酶合成，策略包括筛选高效连接酶、强化谷氨酸利用和优化ATP再生；麦角硫因的生产依赖于组氨酸衍生的含硫生物合成途径的重构与优化。总体上，氨基酸类成分生物合成逻辑清晰、生产系统成熟、市场需求强，是食药同源资源合成生物学开发的优势方向。
4. 合成生物学在食药同源资源开发中的优势、瓶颈与转化
4.1 合成生物学相对于传统方法的优势
合成生物学在食药同源资源开发中的优势主要体现在四个方面：一是显著降低对天然资源的依赖，提高原料供应稳定性与可持续性；二是通过系统优化提高产量、纯度和可控性，有利于建立工业标准；三是通过途径重构和酶工程实现结构创新，开发“非天然”天然产物或功能优化衍生物；四是与人工智能、组学分析和自动化平台天然兼容，具备持续迭代升级能力。对于既强调“天然来源逻辑”又要求“成分可控”的食药同源资源，这些优势尤为突出。
4.2 面临的瓶颈
尽管优势显著，目前仍存在诸多困难。多数活性成分已完成候选基因筛选与鉴定，但具体生物合成途径和下游修饰步骤仍不够清晰。长途径的异源表达涉及更多步骤，前体竞争和基因组不稳定问题导致重现性差。部分活性成分的上游途径设计与下游纯化工艺尚未整合，成为菌株放大的核心障碍。膜蛋白、P450酶和糖基化相关酶在工业条件下的表达波动进一步放大了这些问题。当目标产物与结构相似的副产物共存时，下游纯化成本可能抵消上游合成生物学的优势。
4.3 面向工业化与商业化的转化评估
不同化合物类别的产业化潜力差异较大。途径相对较短、市场需求明确且安全性资料完善的化合物，如某些黄酮类、酚酸类、类胡萝卜素、氨基酸衍生物
