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真菌分子遗传与合成生物学研究

中国科学院合成生物学重点实验室

课题组的研究方向聚焦于生物元件的挖掘与鉴定、酵母细胞工厂的构建、丝状真菌里氏木霉底盘细胞的分子生物学及基因组编辑的研究。具体而言，真菌被广泛应用于医药、食品、能源和轻工等诸多领域，其中，酿酒酵母为天然产物生物合成的优良底盘细胞，里氏木霉具有强大的蛋白合成与分泌能力。本课题组近期的研究目标为：基于碳水化合物活性酶（糖基水解酶、糖裂解酶、糖酯酶和糖基转移酶等）和天然化合物合成途径关键酶的基因资源挖掘与功能鉴定，构建合成重要天然产物的酵母细胞工厂及分泌重要蛋白的里氏木霉细胞工厂。主要研究方向包括：
（1）生物元件的规模化挖掘、功能鉴定与改造，解析与重构植物或真菌重要天然产物的合成途径；
（2）重要萜类化合物的酵母细胞工厂的设计、构建与适配性优化；
（3）里氏木霉中蛋白质合成与分泌调控机制的研究及其遗传改造；
（4）高效降解木质纤维素的酶系设计与重构。

（1）人参皂苷合成途径的全面解析及生物功能元件的挖掘：
新兴的合成生物学技术为植物中含量稀少、应用价值显著的天然产物的规模化制备提供了快捷、低成本与绿色的新策略。传统名贵中药人参的主要活性成份是人参皂苷，基于13个人参属植物的公共cDNA数据库，我们建立了人参皂苷等萜类天然产物合成相关元件的发掘及功能鉴定方法，挖掘获得了512个UDP-糖基转移酶基因, 通过功能表征获得80多个新UDP-糖基转移酶（UGT），其中 5个UGT参与稀有人参皂苷CK、Rh2、Rg3、Rh1和F1的合成，其他近40个UGT催化参与C3、C6和C20第二个糖基的延伸或置换，并获得2个烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）—细胞色素P450还原酶（专利PCT/CN2015/073550; Yan et al. 2014; Wang et al. 2015; Wei W et al. 2015; Wei Y et al. 2015），基于以上生物元件的发现与功能鉴定，全面解析了人参/三七皂苷的合成途径。目前团队发展的规模化生物元件发掘及鉴定表征技术正在应用于淫羊藿和灵芝酸等活性成分的合成途径的解析，并取得了初步进展。团队在此基础上还重点实验室的其他课题组一起建立了天然产物合成生物学元件库，目前收录了约8万个生物元件及其涉及的962个次生代谢合成通路、3717个生化反应和6497个代谢产物，为天然化合物的合成途径的设计与重构奠定了重要的基础。

（2）实现酵母细胞工厂发酵规模化制备稀有人参皂苷CK、Rh2、Rg3、Rh1等：
利用我们挖掘鉴定的UGT和P450还原酶，我们在酵母底盘细胞中构建了稀有人参皂苷CK、F1、Rh1、Rh2和Rg3的合成途径，实现了从葡萄糖到这些稀有人参皂苷单体的一步法从头合成。通过对酵母中MVA的强化、其他前体供应途径的开源节流及合成途径中关键生物元件的改造，大幅度提高了酵母细胞工厂合成稀有人参皂苷的效率，目前CK发酵水平达到3 g/l，单体纯度高于99.9%。生物合成稀有人参皂苷CK的技术已经转化给生物制药企业，并联合开展药物开发的相关研究。其他4种稀有人参皂苷的产率也超过了2g/L。
我们在稀有人参皂苷的生物合成方面率先形成了从生物合成路线探索、合成元件挖掘表征、细胞工厂One-Port合成到元件途径优化、产物产量提高到成果转化的合成生物学创新链，展示了合成生物学在天然药物从研究到应用开发乃至产业化创新链中的巨大应用前景潜力，也为中药标准化开发和现代化研究提供了崭新的工具和思路。

（3）里氏木霉的基因组编辑系统的构建及其蛋白质合成分泌调控机制的解析：里氏木霉强大的蛋白合成分泌能力及其产酶诱导的分子机制尚未得到解析，这可能与其遗传操作技术相对于酵母、大肠杆菌等模式微生物较为落后有关。本团队率先成功在里氏木霉中建立了CRISPR/Cas9基因组编辑系统（Liu et al 2015），显著提高了里氏木霉的基因组编辑效率，解析了参与调控里氏木霉蛋白质合成与分泌的Ca2+信号通路(Chen et al. 2016)、调控因子SxlR(Liu et al. 2017)和蛋白TrmtZ的作用机制，为全面认识里氏木霉蛋白质合成与分泌的复杂调控系统积累了重要基础。在此基础，通过设计与改造调控系统，显著提高了里氏木霉中异源蛋白的合成与分泌能力，为将里氏木霉开发成重要蛋白质药物或材料的细胞工厂奠定重要基础。

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