吕雪峰、黄雪年等开发植物源杀菌剂大黄素甲醚微生物合成新技术

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大黄素甲醚是一种已经上市的植物源生物农药，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，该项技术开发单位曾先后荣获2014年国家科学进步二等奖和2015年中国发明专利金奖。目前，大黄素甲醚需要从中药大黄中提取，存在诸多弊端，如植物生长条件苛刻且缓慢、化合物丰度低分离难等，推高其生产成本的同时降低了工艺的经济性，严重限制了大黄素甲醚市场推广。
　　利用基因工程技术定向改造微生物合成、代谢途径积累目标中间体化学品，或者基于合成生物学理念全新设计构建新的细胞工厂高效生产植物源天然产物成为新的研究热门领域。近日，青岛能源所微生物制造工程中心开发了一种全新的大黄素甲醚微生物发酵生产工艺，相关成果已发表于代谢工程领域权威期刊Metabolic Engineering《代谢工程》。
　　土曲霉中有一个地曲霉素生物合成途径，大黄素是其关键中间体化合物。为了实现大黄素甲醚的土曲霉合成，该研究团队首先利用过表达转录调控因子GedR成功实现了地曲霉素生物合成基因簇的激活，产生了一系列大黄素及其下游代谢衍生物；进而通过关键O-甲基转移酶基因gedA的敲除，实现了前体化合物大黄素的高效积累。在此基础上，多种策略并举挖掘大黄素-3-羟基-O-甲基转移酶，并通过体外酶活实验进行验证，最终获得了六个潜在的酶学元件；进一步通过代谢工程改造将候选酶基因导入高产大黄素的土曲霉底盘中，最终构建了大黄素甲醚高产的土曲霉细胞工厂，并进行了百升级发酵放大，产量达到6.3g/L。

　　

　　图1. 大黄素甲醚生产工艺（A）传统植物种植提取生产工艺；（B）新型合成生物技术构建微生物细胞工厂的发酵生产工艺

　　该项技术首次实现了植物源杀菌剂大黄素甲醚的微生物高效合成，基于现阶段技术指标，只需要一个200吨的发酵罐年产量即可覆盖我国每年种植10万亩大黄的大黄素甲醚产能，有望实现从传统植物种植提取到现代微生物发酵生产技术的变革。该项技术已经与山东鲁抗医药完成技术转让，通过共建产研合作平台推动研究成果从实验室走向工厂车间，打造大黄素甲醚微生物发酵生产新模式，降低成本、提高产能，为市场推广开发奠定基础。更值得一提的是，这是一个构建微生物细胞生产植物源天然产物的成功案例，可以为植物源天然产物的微生物发酵合成提供有效借鉴。
　　青岛能源所吕雪峰研究员和黄雪年研究员为本论文的共同通讯作者，副研究员齐飞飞和博士研究生张伟为论文的共同第一作者。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省人才计划及山东省重点研发计划的支持。（文/图 齐飞飞 黄雪年）
　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2022.10.007
    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).
　　专利：201910649852.6  201910650149.7  2021107066086  2021107053531  2021107072392  2021107058893
       文章来源：青岛能源所
        吕雪峰，男，博士，研究员，博士生导师。1974年生于山西临县。现任中国科学院青岛生物能源与过程研究所副所长，中国科学院生物燃料重点实验室主任。 2015年获国家自然科学杰出青年基金资助。专业方向：生物化学与生物工程，主要从事蓝细菌、土曲霉代谢工程与生物合成研究。1997年毕业于山西大学化学系，获学士学位；2005年毕业于美国新墨西哥大学化学与化学生物学系，获博士学位；2005年至2008年，在美国斯坦福大学化学系从事生物工程博士后研究。2008年5月起任中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，微生物代谢工程团队负责人。历任中国科学院青岛生物能源与过程研究所所长助理、副所长、纪委书记、党委副书记等职务。
        黄雪年，中共党员，博士，研究员。2010年进入中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作，现担任微生物制造工程中心丝状真菌合成生物技术研究组组长，主要从事以应用为导向的丝状真菌天然产物合成生物学研究，与鲁抗医药、海正药业、国光生化等国内多家知名企业建立了长期合作关系。作为负责人先后主持承担国家自然科学基金青年基金、大科学装置联合基金等多项政府科研项目，作为负责人或共同负责人主持多项企业技术开发项目，完成技术转让两项，争取企业合作经费1000多万元。在Angewandte Chemie Int Ed、Metabolic Engineering、Chemical Communications等领域知名期刊发表学术论文十余篇，申请中国发明专利20多项，PCT专利1项，授权8项。入选研究所首批“清源学者”青年人才计划，获得中国科学院沈阳分院优秀青年科技人才奖和海正药业创新突破奖。