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      科技動態

      青島能源所開發植物源殺菌劑大黃素甲醚微生物合成新技術

      撰稿: 青島生物能源與過程研究所 發布時間:2022-11-08

        大黃素甲醚是一種已經上市的植物源生物農藥,可用于植物白粉病、霜霉病、灰霉病和炭疽病等植物病害的防治,該項技術開發單位曾先后榮獲2014年國家科學進步二等獎和2015年中國發明專利金獎。目前,大黃素甲醚需要從中藥大黃中提取,存在諸多弊端,如植物生長條件苛刻且緩慢、化合物豐度低分離難等,推高其生產成本的同時降低了工藝的經濟性,嚴重限制了大黃素甲醚市場推廣。

        利用基因工程技術定向改造微生物合成、代謝途徑積累目標中間體化學品,或者基于合成生物學理念全新設計構建新的細胞工廠高效生產植物源天然產物成為新的研究熱門領域。近日,青島能源所微生物制造工程中心開發了一種全新的大黃素甲醚微生物發酵生產工藝,相關成果已發表于代謝工程領域權威期刊Metabolic Engineering《代謝工程》。

        土曲霉中有一個地曲霉素生物合成途徑,大黃素是其關鍵中間體化合物。為了實現大黃素甲醚的土曲霉合成,該研究團隊首先利用過表達轉錄調控因子GedR成功實現了地曲霉素生物合成基因簇的激活,產生了一系列大黃素及其下游代謝衍生物;進而通過關鍵O-甲基轉移酶基因gedA的敲除,實現了前體化合物大黃素的高效積累。在此基礎上,多種策略并舉挖掘大黃素-3-羥基-O-甲基轉移酶,并通過體外酶活實驗進行驗證,最終獲得了六個潛在的酶學元件;進一步通過代謝工程改造將候選酶基因導入高產大黃素的土曲霉底盤中,最終構建了大黃素甲醚高產的土曲霉細胞工廠,并進行了百升級發酵放大,產量達到6.3g/L。
        
        圖1. 大黃素甲醚生產工藝
       ?。ˋ)傳統植物種植提取生產工藝;(B)新型合成生物技術構建微生物細胞工廠的發酵生產工藝
        該項技術首次實現了植物源殺菌劑大黃素甲醚的微生物高效合成,基于現階段技術指標,只需要一個200噸的發酵罐年產量即可覆蓋我國每年種植10萬畝大黃的大黃素甲醚產能,有望實現從傳統植物種植提取到現代微生物發酵生產技術的變革。該項技術已經與山東魯抗醫藥完成技術轉讓,通過共建產研合作平臺推動研究成果從實驗室走向工廠車間,打造大黃素甲醚微生物發酵生產新模式,降低成本、提高產能,為市場推廣開發奠定基礎。更值得一提的是,這是一個構建微生物細胞生產植物源天然產物的成功案例,可以為植物源天然產物的微生物發酵合成提供有效借鑒。
        青島能源所呂雪峰研究員和黃雪年研究員為本論文的共同通訊作者,副研究員齊飛飛和博士研究生張偉為論文的共同第一作者。本研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省人才計劃及山東省重點研發計劃的支持。
        Feifei Qi#, Wei Zhang#, Yingying Xue, Ce Geng, Zhigang Jin, Jibin Li, Qiang Guo, Xuenian Huang*, Xuefeng Lu*, Microbial production of the plant-derived fungicide physcion. Metab. Eng. 74, 130-138 (2022).
        專利:201910649852.6  201910650149.7  2021107066086  2021107053531  2021107072392  2021107058893
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