先进合成生物学策略驱动的香紫苏醇生产

《ACS Omega》：Sclareol Production Driven by Advanced Synthetic Biology Strategies

　　

香紫苏醇（Sclareol）是一种植物来源的二萜类化合物（diterpene），在香精香料、制药和农业领域具有显著的工业价值。从香紫苏（Salvia sclarea）中提取或通过化学合成进行传统生产一直面临产量低、成本高和可持续性差等挑战。近年来，合成生物学与代谢工程领域的进展使得在微生物底盘细胞中实现香紫苏醇的生物合成成为可能。本综述系统考察了合成生物学驱动的香紫苏醇产量提升策略，特别关注微生物底盘工程、代谢途径优化和酶工程。同时，综述还重点介绍了人工智能（AI）辅助预测、多组学分析、高通量筛选和智能发酵技术等新兴方法。研究人员对微生物香紫苏醇生物合成的成就与挑战进行了批判性分析，并提出了未来发展的战略重点。本文为科学研究与工程实践提供了全面参考，旨在推动高价值植物来源萜类化合物的可持续生物制造。

香紫苏醇（Sclareol）是一种天然存在的半日花烷型（labdane-type）二萜醇（C₂₀H₃₆O₂），具有疏水性双环碳骨架和两个羟基，主要分布于香紫苏（Salvia sclarea）精油中，经甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径在腺毛中生物合成。因其独特的木质-琥珀样香气和良好的化学稳定性，香紫苏醇是香精香料工业中合成龙涎醚（ambroxide）的关键前体，并具有抗肿瘤、抗炎、抗菌和抗氧化等药理活性，同时在农业中表现出杀虫和抗病功能。传统供应依赖植物提取和化学合成：植物提取面临含量低、季节与环境变异大、供应不稳定、纯化成本高以及土地占用等问题；化学全合成因复杂双环结构和多个立体中心通常需要10–15步以上反应，总产率低且使用苛刻试剂并产生大量废弃物。上述瓶颈制约了香紫苏醇在香料、制药和农业领域的大规模应用，亟需开发新型生产路线。合成生物学通过工程化微生物底盘、异源重构生物合成途径和优化前体供给，为香紫苏醇的可持续生产提供了变革性方案。

该综述发表于《ACS Omega》，系统总结了合成生物学驱动的香紫苏醇生产策略，涵盖微生物底盘开发、代谢途径工程、酶工程、高通量筛选、人工智能（AI）与多组学辅助优化及智能发酵等方向，分析了当前成就与挑战，并提出了未来战略重点，为高价值植物源萜类的可持续生物制造提供了综合参考。

研究人员总结的主要关键技术方法包括：微生物底盘工程（酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae、解脂耶氏酵母Yarrowia lipolytica、毕赤酵母Pichia pastoris、莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii、烟草等）；内源甲羟戊酸（MVA）途径强化与牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）前体供给优化；二萜合酶（diTPS）异源表达与酶工程（定向进化、理性设计）；模块化途径设计与动态调控网络；基于生物传感器和荧光激活细胞分选（FACS）的高通量筛选；AI与多组学整合的代谢模型预测；以及发酵过程工程与放大策略（补料分批、两相萃取、自发沉淀回收等）。

**3.1 高效底盘细胞开发**：通过模块化代谢工程和全局代谢重排，工程酿酒酵母实现香紫苏醇11.4 g/L的产量（192 h，产率0.059 g/L/h）；通过时序寿命工程与代谢重排结合，进一步提高至25.9 g/L。解脂耶氏酵母通过双层GGPP积累途径和无支架多酶复合物实现12.9 g/L（5 L生物反应器，240 h，产率53.2 mg/g葡萄糖）；后续系统代谢工程（合酶定点突变、GGPP通量重分配、竞争途径消除、转运蛋白工程）将产量提升至13.9 g/L。毕赤酵母经系统途径与中心代谢重排实现27.8 g/L，为迄今最高微生物产量报道。莱茵衣藻叶绿体工程实现光自养生产香紫