生物合成芳香族氨基酸及其衍生物的研究進(jìn)展

申曉林 袁其朋（北京化工大學(xué) 化工資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100029）

生物合成芳香族氨基酸及其衍生物的研究進(jìn)展

申曉林 袁其朋
（北京化工大學(xué) 化工資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100029）

現(xiàn)代生物化工主要以廉價可再生資源為底物生產(chǎn)高附加值的精細(xì)化學(xué)品、大宗化學(xué)品、藥品及營養(yǎng)品。合成生物學(xué)研究是生物化工領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和支撐體系之一，是在功能基因組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)等基礎(chǔ)上，將工程化理念應(yīng)用在生物學(xué)中，定向創(chuàng)造新型生物產(chǎn)品和生物過程整體優(yōu)化的新的研究方向。合成生物學(xué)發(fā)展十幾年以來，創(chuàng)造出了很多強(qiáng)有力的工具被應(yīng)用于微生物、植物及動物的研究。以微生物生產(chǎn)芳香族氨基酸及其衍生物為主要內(nèi)容，系統(tǒng)的綜述合成生物學(xué)在以微生物生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物方面的研究進(jìn)展。

合成生物學(xué)；芳香族氨基酸；黃酮類；有機(jī)酸；天然產(chǎn)物

在過去的150年里，基于石化資源的過度開發(fā)及消費(fèi)導(dǎo)致了三大能源的日益枯竭和污染的日益加重。以石化資源為基礎(chǔ)的化工產(chǎn)業(yè)作為一種有效的方法生產(chǎn)化學(xué)品具有很多優(yōu)勢。但是，隨著科技日新月異的發(fā)展，化工方法的不足也逐漸顯示出來，包括：（1）使用有毒或者環(huán)境不友好的催化劑；（2）產(chǎn)生有毒的中間產(chǎn)物或副產(chǎn)物；（3）需要高溫高壓的生產(chǎn)工藝；（4）生產(chǎn)需要大量能源；（5）生產(chǎn)手性化合物非常困難。這些問題使得人們把目光投向了生物合成及生物化工領(lǐng)域。生物合成主要以葡萄糖、甘油、木糖甚至纖維素等可再生資源為底物，通過改造微生物生產(chǎn)生物柴油、大宗化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品、藥物及營養(yǎng)品等［1］。目前，合成生物學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于生物合成領(lǐng)域。合成生物學(xué)是由基因組學(xué)、工程學(xué)、分子生物學(xué)、信息學(xué)等技術(shù)集成產(chǎn)生的工具與方法，從社會重大需求出發(fā)，合成具有生命功能的生物分子、細(xì)胞與系統(tǒng)，并使用系統(tǒng)生物學(xué)的全方位整合及分析研究策略，為生物學(xué)研究提供正向工程學(xué)方法。其目的是改造、設(shè)計(jì)、重建的生物部件、代謝途徑、生物系統(tǒng)和發(fā)育分化過程，乃至具備生命活動能力的體系、生物部件、生物個體以及人造生態(tài)。2006年，以美國加州大學(xué)伯克利分校的Keasling教授［2］在Nature上發(fā)表首次使用酵母生產(chǎn)抗瘧疾藥青蒿素的前體-青蒿酸為標(biāo)志，合成生物學(xué)進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段。隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，歷經(jīng)7年的不斷研究，2013年，青蒿酸的產(chǎn)量已由最初的115 mg/L提高到了25 g/L［3］，顯示了良好的工業(yè)應(yīng)用前景。這說明合成生物學(xué)的發(fā)展日漸成熟，目前已經(jīng)應(yīng)用于生物化工的各個領(lǐng)域。本文以芳香族氨基酸及其衍生物為例，詳細(xì)論述合成物學(xué)方法構(gòu)建有效的底盤生物生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物的策略，包括建立熱力學(xué)可行的代謝途徑、蛋白質(zhì)工程、重寫碳代謝流、利用不同的碳源、改造底物攝入機(jī)制等都是本文討論的范圍。

1 芳香族氨基酸的生物合成

芳香族氨基酸包括L-苯丙氨酸、L-色氨酸及L-酪氨酸，在生物體內(nèi)由莽草酸途徑合成。其中色氨酸及苯丙氨酸是人體8種必需氨基酸，只能從膳食中進(jìn)行補(bǔ)充。這3種氨基酸同時也是合成大量高附加值產(chǎn)物的前體。如圖1所示，芳香族氨基酸的合成首先通過磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和4-磷酸赤蘚糖（E4P）縮合生產(chǎn)3-脫氧-D-阿糖基庚糖酮酸-7-磷酸（DAHP），隨后被催化生產(chǎn)分支酸。分支酸是生產(chǎn)3種芳香族氨基酸的重要分支［4，5］，因此，在生物合成的過程中，增強(qiáng)分支酸的碳代謝流以提高分支酸的產(chǎn)量是研究的第一個重點(diǎn)。首先，過表達(dá)PEP合成酶的基因ppsA和轉(zhuǎn)酮醇酶的基因tktA以增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)PEP和E4P的產(chǎn)量是最長用的方法。其次，通過改造DAHP合成酶和分支酸變位酶——預(yù)苯酸脫氫酶解除其所受的反饋抑制（分別編碼為aroGfbr和tyrAfbr），使得細(xì)胞內(nèi)可以大量積累分支酸同時可以大量生產(chǎn)L-酪氨酸［6，7］。另外，TyrR和TypR介導(dǎo)的抑制也影響了芳香族氨基酸的產(chǎn)量，通過敲除tyrR基因來除去轉(zhuǎn)錄的弱化情況，可以增強(qiáng)苯丙氨酸和酪氨酸的產(chǎn)量［6，7］。另外的方法是，通過破壞一個全局調(diào)控的基因csrA可使苯丙氨酸的產(chǎn)量提高兩倍［8］。近階段的研究中，調(diào)控氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制作為一種新的方法被用來提高芳香族氨基酸的產(chǎn)量。體內(nèi)氨基酸的積累或者攝取都可以抑制宿主的生產(chǎn)力，而通過改造轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可以解除這個機(jī)制的抑制，從而提高氨基酸的產(chǎn)量［9］。利用這些策略，大腸桿菌和谷氨酸棒桿菌的L-酪氨酸、L-苯丙氨酸和L-色氨酸的產(chǎn)量分別達(dá)到了55 g/L［10］、46 g/L［11］和60 g/L［12，13］。

圖1 芳香族氨基酸的生物合成途徑

雖然芳香族氨基酸是重要的營養(yǎng)品，但是，芳香族氨基酸的衍生物則幾乎全部為高附加值、具有生物學(xué)功能的化學(xué)品、藥品及營養(yǎng)品。因此，在合成生物學(xué)蓬勃發(fā)展的今天，人們的研究重點(diǎn)則集中于芳香族氨基酸的衍生物的生物合成。

2 芳香族氨基酸衍生物的生物合成

2.1 有機(jī)酸類

莽草酸途徑生產(chǎn)芳香族氨基酸的重要中間代謝物是分支酸，而分支酸不僅可以生產(chǎn)芳香族氨基酸，同時也是一些重要的有機(jī)酸的前體物質(zhì)。如黏糠酸和水楊酸就是以分支酸為前體生產(chǎn)的（圖2）。

水楊酸，又稱為鄰羥基苯甲酸或2-羥基苯甲酸，多存在于植物中，是一種調(diào)節(jié)生長發(fā)育的激素［14］。水楊酸是護(hù)膚品中的重要成分，被用于治療痤瘡、脂溢性皮炎、銀屑病等［15］。其衍生物水楊酸甲酯具有緩解疼痛的作用，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)［16］。水楊酸在微生物中的異源生物合成是通過調(diào)節(jié)莽草酸途徑來增加分支酸及異分支酸的供應(yīng)以達(dá)到高產(chǎn)的目的。Lin等［17］利用一個中拷貝的質(zhì)粒調(diào)節(jié)了前體的碳代謝流，這個中拷貝的質(zhì)粒上攜帶有ppsA、tktA和aroGfbr的基因，從而提高了莽草酸途徑產(chǎn)生分支酸的量，生產(chǎn)了1.2 g/L的水楊酸。這篇研究同時發(fā)現(xiàn)，使用更高拷貝的質(zhì)粒或者敲除其他的競爭性途徑來增加生產(chǎn)分支酸的代謝流并沒有生產(chǎn)更多的水楊酸，說明體內(nèi)的碳代謝達(dá)到了平衡。最近的研究者們將研究的重點(diǎn)放在了莽草酸途徑以外的代謝網(wǎng)絡(luò)水平，從代謝全局的角度調(diào)整代謝流量。由于微生物自身的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制是消耗莽草酸途徑重要的前體PEP的。因此，敲除了PTS系統(tǒng)和PEP向丙酮酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵基因，基于這個研究，水楊酸的最終產(chǎn)量達(dá)到11.5 g/L［18］。

水楊酸經(jīng)過脫羧和氧化，就可以生產(chǎn)另外一種重要的有機(jī)酸——黏糠酸（圖2）。黏糠酸是一種六碳二羧酸，在化工領(lǐng)域是一種重要的平臺化合物，可用于生產(chǎn)塑料、對苯二甲酸和己二酸。而己二酸則是尼龍-6，6和聚氨酯的重要單體。對苯二甲酸的全球經(jīng)濟(jì)價值達(dá)到7.1億美元，而己二酸的年需求量也達(dá)到了330萬t。1994年，F(xiàn)rost課題組首次報道了利用大腸桿菌從頭異源合成黏糠酸［19］。如圖2所示，該研究將3個外源酶引入大腸桿菌，包括3-脫氫莽草酸脫水酶，原兒茶酸脫羧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶，以3-二氫莽草酸（DHQ）為前體生產(chǎn)黏糠酸。同時過表達(dá)tktA、aroF和aroB基因以提高前體DHQ的產(chǎn)量。最終該工程菌在發(fā)酵罐中生產(chǎn)了38.6 g/L黏糠酸。最近有研究用同樣的策略在酵母中生產(chǎn)黏糠酸，得到了141 mg/L的發(fā)酵產(chǎn)量［20］。Yan課題組［21］構(gòu)建了三條不同的途徑來生產(chǎn)黏糠酸，通過一系列的優(yōu)化和全局調(diào)控，成功完成了生產(chǎn)黏糠酸的底盤細(xì)胞的構(gòu)建。如圖2所示，這些途徑均以分支酸為前體生產(chǎn)黏糠酸。第一條途徑中，利用大腸桿菌自身的鄰氨基苯甲酸合成酶將分支酸轉(zhuǎn)化為鄰氨基苯甲酸，接著用兩個外源酶——鄰氨基苯甲酸1，2-雙加氧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶生產(chǎn)最終產(chǎn)物。在抑制色氨酸的生物合成的同時引入谷氨酰胺循環(huán)體系，更加全面的調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞，最終黏糠酸的產(chǎn)量達(dá)到389.96 mg/L。接下來，該課題組利用異分支酸合酶、異分支酸丙酮酸裂解酶、水楊酸1-單加氧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶組成新的異源合成途徑，在一個由苯丙氨酸生產(chǎn)菌改造的水楊酸生產(chǎn)菌中生產(chǎn)黏糠酸，通過增加上游途徑到分支酸的產(chǎn)量，最終在該基因工程菌中生產(chǎn)了1.5 g/L黏糠酸［17］。最后一個途徑是巧妙的將2，3-二羥基苯甲酸的生物合成及生物降解同時在大腸桿菌中表達(dá)，利用2，3-二羥基苯甲酸脫羧酶和兒茶酚1，2-雙加氧酶降解大腸桿菌自身生產(chǎn)的2，3-二羥基苯甲酸來生產(chǎn)黏糠酸。通過過表達(dá)莽草酸途徑的相關(guān)基因和entCBA（編碼2，3-二羥基苯甲酸合成酶）達(dá)到高產(chǎn)黏糠酸的目的，最終產(chǎn)量達(dá)到900 mg/L［22］。利用更為廉價的碳源來生產(chǎn)黏糠酸這種大宗化學(xué)品在工業(yè)上來說會降低成本的消耗，如使用甘油或纖維素水解液。最近的研究中，Zhang等［23］在PNAS上報道了通過共培養(yǎng)的方式將兩種細(xì)胞在葡萄糖和木糖（模擬纖維素水解液）中共培養(yǎng)，通過克服微生物自身的生產(chǎn)缺陷提高碳源利用率來生產(chǎn)黏糠酸，得到了0.35 g/g木糖葡萄糖混合液的產(chǎn)率。Johnson等［24］利用木素水解物產(chǎn)生的芳香族化合物和葡萄糖共培養(yǎng)，在惡臭假單胞菌中生產(chǎn)黏糠酸，通過共表達(dá)原兒茶酸脫羧酶和其相關(guān)的兩個蛋白來生產(chǎn)該蛋白所需要的輔因子，最終生產(chǎn)了15.6 g/L黏糠酸。黏糠酸可以作為生物傳感器，通過控制相應(yīng)的啟動子的表達(dá)或抑制來完成對代謝網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時調(diào)控。同時也可以啟動表達(dá)報告基因，通過報告基因的強(qiáng)度與黏糠酸的濃度關(guān)系，實(shí)時監(jiān)測黏糠酸的產(chǎn)量。最近，Keasling課題組［25］成功將原核生物中的生物傳感器改造了一個真核生物中的LysR轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)元件，通過調(diào)節(jié)該元件對于黏糠酸的敏感性，不同濃度的黏糠酸可以控制蛋白不同的表達(dá)水平，從而控制熒光蛋白的熒光強(qiáng)度，通過熒光強(qiáng)度來定量黏糠酸的產(chǎn)量。

2.2 類苯基丙烷類（Phenylpropanoid）

類苯基丙烷類化合物是一種以苯丙氨酸為前體的植物次級代謝產(chǎn)物。如圖3所示，基于不同的分子結(jié)構(gòu)，類苯基丙烷可以分為羥化肉桂酸類、香豆素類、黃酮類和茋類［26］。由于這些化合物具有抗氧化、抗炎、抗病毒和抗癌等能力，因此，這些化合物常被用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域［27，28］。但是，這些化合物在植物中的含量很少，因此，利用分離提取的方法得到產(chǎn)品是非常低效的。隨著代謝工程和合成生物學(xué)的發(fā)展，人們通常利用大腸桿菌和酵母等模式生物，以廉價的碳源或前體為底物，生產(chǎn)這些高附加值的產(chǎn)品。

圖2 人工構(gòu)建的水楊酸及粘糠酸生物合成途徑

2.2.1 羥化肉桂酸類 羥化肉桂酸通常是指羥基化的肉桂酸的衍生物或者帶有簡單取代基團(tuán)的肉桂酸衍生物，包括對香豆酸、阿魏酸和咖啡酸等。其中，對香豆酸是一個關(guān)鍵的中間代謝物，可以合成大量的類苯基丙烷類產(chǎn)品。在植物代謝途徑中，苯丙氨酸氨基裂解酶（PAL）催化苯丙氨酸脫掉氨基生成肉桂酸，再在肉桂酸4-羥化酶（C4H）的催化下完成對位的羥化反應(yīng)，生成對香豆酸（圖3）。鑒于植物中的基因更容易在酵母這種真核細(xì)胞中完成異源合成，這條通路最早在酵母中被表達(dá)［29］。但是，細(xì)胞色素P450家族的C4H的催化效率低導(dǎo)致了整條通路的產(chǎn)量并不盡如人意。圖3顯示，對香豆酸可以由酪氨酸直接脫氨基生成，Vannelli等［30］利用酪氨酸氨基裂解酶直接生產(chǎn)對香豆酸。同時，PAL也具有較寬的底物譜，可以催化酪氨酸的脫氨基反應(yīng)。2012年，Kang等［31］利用一株大腸桿菌的酪氨酸生產(chǎn)菌，通過過表達(dá)來自酵母的酪氨酸氨基裂解酶（Sam8）生產(chǎn)了974 mg/L對香豆酸。最近的報道中，一株對香豆酸的高產(chǎn)酵母菌被進(jìn)一步改造，通過敲除苯丙酮酸脫羧酶的基因ARO10和丙酮酸脫羧酶的基因PDC5來抑制副產(chǎn)物的生產(chǎn)，同時解除了DAHP合成酶的反饋抑制系統(tǒng)，增強(qiáng)莽草酸途徑的碳代謝流，使對香豆酸的產(chǎn)量達(dá)1.93 g/L［7］。

咖啡酸也是一種重要的類苯基丙烷類化合物，具有抗腫瘤［32］和抗炎［33］的作用，同時也是一種良好的抗氧化劑［34］，有研究報道稱咖啡酸可以抑制黃曲霉素的產(chǎn)生［35］。在自然界中，咖啡酸的生產(chǎn)依賴于另外一種細(xì)胞色素P450家族的羥化酶——對香豆酸3-羥化酶（C3H）［36］。鑒于細(xì)胞色素P450家族較低的催化效率和難以表達(dá)的特點(diǎn)，尋找C3H的同工酶成為異源合成咖啡酸的重要研究工作。Berner等［37］最早從酵母中分離得到了Sam5可以替代C3H催化對香豆酸生產(chǎn)咖啡酸。在大腸桿菌［38］、嗜熱棲熱菌（Thermusthermophilus）［39］、鮑曼不動桿菌（Acinetobacter baumannii）［40］及惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）［41］中，存在一種參與4-羥基苯乙酸降解的羥化酶4-羥基苯乙酸3-羥化酶（4HPA3H），可以高效的催化4-羥基苯乙酸的類似物對香豆酸的鄰位羥基化，生成咖啡酸。有研究顯示，帶有銅綠假單胞菌4HPA3H基因的大腸桿菌，通過添加對香豆酸作為底物可以生產(chǎn)10.2 g/L的咖啡酸［42］。如圖3所示，在大腸桿菌中同時表達(dá)TAL和4HPA3H，即可實(shí)現(xiàn)咖啡酸的從頭合成。利用大腸桿菌的苯丙氨酸生產(chǎn)菌株以甘油和葡萄糖為底物，提高酪氨酸的產(chǎn)量，進(jìn)而生產(chǎn)咖啡酸，在搖瓶中的產(chǎn)量可以達(dá)到776 mg/L［43］。酵母中天然存在Sam8和Sam5，因此過表達(dá)這兩個基因可以生產(chǎn)咖啡酸，但是，這條通路的產(chǎn)量略低于大腸桿菌中由TAL和4HPA3H組成的通路的產(chǎn)量［31］。

圖3 人工構(gòu)建的類苯基丙烷類生物合成途徑

與此同時，由此中心途徑延伸出來了很多生產(chǎn)其他芳香族有機(jī)酸的途徑。Sun等［44］通過篩選10余種不同來源及可能的酶，成功獲得可以催化肉桂酸生產(chǎn)羥化肉桂酸的酶，并將厭氧的羥化酶在好氧條件下成功表達(dá)，可以催化肉桂酸和香豆酸生產(chǎn)苯丙酸和對羥基苯丙酸，搖瓶產(chǎn)量分別達(dá)到366.77 mg/L和225.10 mg/L。在大腸桿菌中，利用混合碳源從頭合成，建立了生產(chǎn)肉桂酸和對羥基肉桂酸的合成途徑［45］。有研究報道，利用4HPA3H的底物譜較寬的特性，通過酪氨酸的合成的分支途徑生產(chǎn)4-羥基苯丙酮酸，進(jìn)而生產(chǎn)了7.1 g/L的丹參素A［46］。阿魏酸也可以通過中心途徑產(chǎn)生咖啡酸進(jìn)行生產(chǎn)，利用來自擬南芥的氧甲基轉(zhuǎn)移酶催化咖啡酸生產(chǎn)阿魏酸［31］。另外，這個中心途徑還可以被用來生產(chǎn)迷迭香酸［47］、綠原酸［48］、奎尼酸和莽草酸酯［5］等衍生物。

2.2.2 黃酮類 黃酮類是非常著名的抗氧化抗衰老的一類化合物，分為以下幾個小類：黃酮、黃烷酮、異黃酮、黃酮醇、黃烷醇等［4］。常見的有大豆異黃酮、柚皮素、圣草酚等［27］。迄今為止，關(guān)于黃酮類生物合成的研究主要集中于松屬素和柚皮素。因?yàn)檫@兩個簡單的黃烷酮類是合成其他黃酮類物質(zhì)的基本單位。如圖3所示，生物合成松屬素和柚皮素的第一步是通過4-香豆酸輔酶A連接酶（4CL）將輔酶A與肉桂酸以及輔酶A與對香豆酸分別縮合為肉桂酰輔酶A和對香豆酰輔酶A。再通過查爾酮合酶（CHS）催化重復(fù)的克萊森縮合反應(yīng)，將3分子的丙二酰輔酶A與肉桂酰輔酶A或者香豆酰輔酶A縮合形成黃烷酮查爾酮。接下來，這些查爾酮經(jīng)過自發(fā)的反應(yīng)或者在查爾酮異構(gòu)酶（CHI）的催化下生成松屬素和柚皮素。在酵母中，表達(dá)4CL、CHS和CHL可以通過相應(yīng)的氨基酸生產(chǎn)0.2 mg/L柚皮素和16.3 g/L松屬素［49］，而在大腸桿菌中表達(dá)PAL/TAL、4CL、CHS和CHI，可以同時生產(chǎn)60 mg/L的柚皮素和58 mg/L的松屬素［50］。Koopman等［51］在酵母中建立了一條從頭合成柚皮素的代謝途徑，該途徑以葡萄糖為唯一碳源，通過平衡基因的表達(dá)，提高前體的供應(yīng)和降低副產(chǎn)物途徑的代謝工程手段，最終在發(fā)酵罐中生產(chǎn)了415 μmol/L的柚皮素。由黃烷酮類物質(zhì)的生物合成過程（圖3）可知，通過增加體內(nèi)丙二酰輔酶A的濃度，可以提高黃烷酮類物質(zhì)的產(chǎn)量。一方面，過表達(dá)丙二酰輔酶A合酶（MatB）和一個可能的丙二酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MatC）可以提高丙二酰輔酶A的濃度，從而顯著的提高黃烷酮類的產(chǎn)量［52］；另一方面過表達(dá)乙酰輔酶A羧化酶（ACC）和生物素連接酶可以促進(jìn)乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為丙二酰輔酶A，利用該策略，可以生產(chǎn)119 mg/L柚皮素、429 mg/L松屬素和52 mg/L圣草酚［50，53］。此外，更多的合成生物學(xué)方法被用于提高前體物丙二酰輔酶A的產(chǎn)量。利用反義RNAs 來抑制脂肪酸的合成來增加丙二酰輔酶A的胞內(nèi)濃度，比直接敲除脂肪酸的合成途徑更加有效地提高了細(xì)胞內(nèi)丙二酰輔酶A的含量［54］。Yang等［55］利用一段合成的反義RNA工具動態(tài)調(diào)控了大腸桿菌中的丙二酰輔酶A的合成，使丙二酰輔酶A的含量提高了4.5倍，最終生產(chǎn)了91.31 mg/L柚皮素，產(chǎn)量比對照菌提高了1.53倍。通過調(diào)節(jié)啟動子的強(qiáng)度來平衡模塊間的表達(dá)水平，利用不同拷貝數(shù)的質(zhì)粒平衡代謝途徑中各個酶的表達(dá)，在大腸桿菌中以葡萄糖為碳源生產(chǎn)了100.64 mg/L柚皮素［56］。利用基因組水平的代謝模型以最小化進(jìn)行基因干預(yù)的策略，重寫碳流量，使其盡可能多的流向丙二酰輔酶A的生物合成，最終生產(chǎn)了474 mg/L柚皮素［56］。

2.2.3 香豆素類 香豆素是來自于植物的一類天然產(chǎn)物，包括了雙香豆素、4-羥基香豆素、7-羥基香豆素（傘花內(nèi)酯）、6，7-二羥基香豆素（七葉素）等化合物［57，58］。該類物質(zhì)的重要共同結(jié)構(gòu)是4-羥基香豆素。香豆素類藥物的重要作用是抗凝血作用，主要通過與維生素K競爭性抑制，阻礙凝血因子在肝臟中合成，由此制成了著名的抗血栓藥物華法林［59］。相對于羥化肉桂酸類化合物和黃酮類化合物，關(guān)于香豆素微生物合成的研究非常少，因?yàn)榈侥壳盀橹?，對于香豆素在植物中的代謝途徑研究還不甚清晰。佐治亞大學(xué)的Yan Yanjun課題組在香豆素類物質(zhì)的生物合成中做出了突出的貢獻(xiàn)。2013年，該組在Nature Communications上發(fā)表文章，首次在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了香豆素類的核心物質(zhì)4-羥基香豆素的異源生物合成。利用來自大腸桿菌的4HPA3H參與的咖啡酸的生物合成途徑，再表達(dá)3個酶：咖啡酸酯3-甲氧基轉(zhuǎn)移酶、4CL和阿魏酸酯輔酶A 6’-羥化酶生產(chǎn)東莨菪亭。此外，另一個不是從類苯基丙烷類物質(zhì)衍生出來的生物合成途徑也在該研究中被建立，用來生產(chǎn)4-羥基香豆素。這個途徑由分支酸作為前體，丙二酰輔酶A作為碳單位，利用異分支酸合成酶（ICS）、異分支酸丙酮酸裂解酶、水楊酰輔酶A連接酶和喹諾酮合成酶（PqsD）在大腸桿菌中成功的生產(chǎn)了約500 mg/L的4-羥基香豆素［57］。同時，該課題組還首次構(gòu)建了傘形花內(nèi)酯和東莨菪亭的微生物合成途徑，這條途徑不僅克服了香豆素合成中的未知步驟，還避免了使用細(xì)胞色素P450家族的羥化酶［60］，他們還深入研究了大腸桿菌中4HPA3H的催化特性和底物兼容性。研究發(fā)現(xiàn)，該酶可以催化傘形花內(nèi)酯高效轉(zhuǎn)化為七葉亭，最終得到了2.7 g/L的七葉亭，同時，該酶還可以催化白藜蘆醇轉(zhuǎn)化為白皮杉醇［58］，F(xiàn)uruya等［61］基于此工作，通過添加吐溫80的方法，利用該酶進(jìn)行全細(xì)胞催化，12 h生產(chǎn)了5.2 g/L 白皮杉醇，轉(zhuǎn)化率達(dá)到83%。同時，該酶還可以將柚皮素轉(zhuǎn)化為圣草酚，將阿福豆素轉(zhuǎn)化為兒茶酸［58，62］。

2.2.4 茋類 茋類化合物是一類由對稱苯代二乙烯和簡單的取代集團(tuán)形成的對稱苯代二乙烯的類似物。其中最典型的化合物是白藜蘆醇。白藜蘆醇具有良好的抗氧化［63］、抗衰老［64］及預(yù)防癌癥的功效［65］。如圖3所示，白藜蘆醇的生物合成也是通過3分子的丙二酰輔酶A與對香豆酰輔酶A縮合后經(jīng)過脫羧形成的。最初白藜蘆醇是在酵母中通過表達(dá)4CL和對稱二苯代乙烯合成酶（STS）實(shí)現(xiàn)首次異源生物合成的［66，67］。經(jīng)過優(yōu)化，使用來自于擬南芥的4CL1和葡萄的STS，可以生產(chǎn)391 mg/L白藜蘆醇［68］。近期有研究利用合成生物學(xué)的方法，改造不同的質(zhì)粒，通過增加丙二酰輔酶A的濃度，來增加白藜蘆醇的產(chǎn)量，該方法有效的將白藜蘆醇的產(chǎn)量提高到了2.3 g/L［69］。

2.3 其他化合物

除了上述的氨基酸及類苯基丙烷類化合物，芳香族氨基酸還有其它具有生物活性的簡單衍生物，包括5-羥基色氨酸、天麻素等。

5-羥基色氨酸是色氨酸的衍生物，是一種治療抑郁癥、失眠、肥胖和慢性頭痛的重要藥物，常從非洲加納的種子中提取獲得［70］。而加納只能在西部及中部非洲種植，極大的限制了5-羥基色氨酸的商品供應(yīng)。Lin等［71］在大腸桿菌中篩選了苯丙氨酸4-羥化酶，通過蛋白質(zhì)工程的方法改造該酶，使其可以利用四氫生物蝶呤特異性的將色氨酸轉(zhuǎn)化為5-羥基色氨酸。同時，鑒于大腸桿菌不能產(chǎn)生四氫生物蝶呤且其價格昂貴，因此在大腸桿菌中引入了一個外源的四氫生物蝶呤循環(huán)系統(tǒng)。通過這些改造，全細(xì)胞轉(zhuǎn)化法可以生產(chǎn)1.2 g/L 5-羥基色氨酸。Sun等［72］同時構(gòu)建了另外一條途徑實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌中5-羥基色氨酸的從頭生物合成，首先構(gòu)建了高產(chǎn)5-羥基鄰氨基苯甲酸的生物合成途徑，該過程利用了水楊酸5-羥化酶催化鄰氨基苯甲酸生成5-羥基苯甲酸，再利用大腸桿菌自身的TrpDCBA（色氨酸合成酶）生成最終產(chǎn)物，首次實(shí)現(xiàn)了5-羥基色氨酸的從頭合成。

芳香族氨基酸及其衍生物的糖苷類產(chǎn)品也是研究的重點(diǎn)，有些具有生物功能的芳香族化合物不易溶于水，因此生物相容性和利用度較差。而糖苷基團(tuán)的引入可以有效的增加化合物的水溶性和穩(wěn)定性，有些化合物在引入糖苷基團(tuán)后可以增加其生物活性。天麻素就是這樣一種物質(zhì)，是由4-羥基苯乙醇在羥基基團(tuán)上引入糖苷基團(tuán)的化合物。天麻素具有抗氧化，抗炎等作用，在醫(yī)學(xué)上可以作為鎮(zhèn)靜劑、安眠藥、抗驚厥藥和神經(jīng)保護(hù)藥［73-75］。2016年，Bai等［76］在大腸桿菌中構(gòu)建了天麻素的從頭合成途徑，通過分支酸生產(chǎn)4-羥基苯甲酸，再經(jīng)過兩步催化生產(chǎn)4-羥基苯乙醇，最后在葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的催化下生成天麻素。經(jīng)過對代謝途徑的優(yōu)化和葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的改造，最終生產(chǎn)了545 mg/L天麻素。同年，Ahmadi等［77］在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了另外一種芳香族氨基酸衍生物——水楊酸的糖基化產(chǎn)品生產(chǎn)。葡萄糖基水楊酸是一種植物中的抗炎因子，通過莽草酸途徑生產(chǎn)水楊酸，再過表達(dá)6-磷酸葡萄糖的生產(chǎn)途徑，通過葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶催化，最終生成葡萄糖基水楊酸。利用兩種不同的共培養(yǎng)系統(tǒng)，葡萄糖基水楊酸的最終產(chǎn)量為2.5 g/L。

3 結(jié)語

隨著石油資源的日益枯竭，以石油為基礎(chǔ)的化工產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。在過去的幾十年里，利用微生物以廉價可再生碳源為底物生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品和大宗化學(xué)品的研究日漸成熟。目前，建立一個高效的生物合成體系需要對底盤生物和外源途徑進(jìn)行全面的優(yōu)化，必須解決如下問題：（1）生產(chǎn)用的工程化微生物必須被系統(tǒng)的進(jìn)行改造，具備高產(chǎn)量、高產(chǎn)率和可大規(guī)模生產(chǎn)；（2）生產(chǎn)的原料必須便宜易得，生產(chǎn)過程耗能較少；（3）產(chǎn)品體系中雜質(zhì)少，產(chǎn)物容易分離。以合成生物學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展出來的技術(shù)，如大規(guī)模基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9的發(fā)展及完善，反義RNA、DNA支架或蛋白支架等工具，都為合成生物學(xué)在生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。而合成生物學(xué)的模塊化、適配化的原則也使研究向著更加深入和普適化的方向進(jìn)行。我們相信，隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，越來越多的工具和方法被應(yīng)用，生物化工的研究也會更多元化，也將有更多的研究成果被應(yīng)用。

［1］Jullessona D, Davida F, Pflegerb B, et al. Impact of synthetic biology and metabolic engineering on industrial production of fine chemicals［J］. Biotechnology Advances, 2015, 33：1395-1402.

［2］Ro DK, Paradise EM, Ouellet M, et al. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast［J］. Nature, 2006, 440：940-943.

［3］Paddon CJ, Westfall PJ, Pitera DJ, et al. High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin［J］. Nature, 2013, 496：528-532.

［4］Krivoruchko A, Nielsen J. Production of natural products through metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae［J］. Current Opinion in Biotechnology, 2015, 35：7-15.

［5］Sun X, Shen, X, Jain R, et al. Synthesis of chemicals by metabolic engineering of microbes［J］. Chemical Society Reviews, 2015, 44：3760-3785.

［6］Lütke-Eversloh T, Stephanopoulos G. L-tyrosine production by deregulated strains of Escherichia coli［J］. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007, 75：103-110.

［7］Rodriguez A, Kildegaard KR, Li M, et al. Establishment of a yeast platform strain for production of p-coumaric acid through metabolic engineering of aromatic amino acid biosynthesis［J］. Metabolic Engineering, 2015, 31：181-188.

［8］Tatarko M, Romeo T. Disruption of a global regulatory gene to enhance central carbon flux into phenylalanine biosynthesis in Escherichia coli［J］. Current Microbiology, 2001, 43：26-32.

［9］Ikeda M. Towards bacterial strains overproducing L-tryptophan and other aromatics by metabolic engineering［J］. Applied Microbiology and Biotechnology, 2006, 69：615-626.

［10］Patnaik R, Zolandz RR, Green DA, et al. L-Tyrosine production by recombinant Escherichia coli：Fermentation optimization and recovery［J］. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 99：741-752.

［11］Konstantinov KB, Nishio N, Seki T, et al. Physiologically motivated strategies for control of the fed-batch cultivation of recombinant Escherichia coli for phenylalanine production［J］. Journal of Fermentation and Bioengineering, 1991, 71：350-355.

［12］Ikeda M, Katsumata R. Transport of aromatic amino acids and its influence on overproduction of the amino acids in Corynebacterium glutamicum［J］. Journal of Fermentation and Bioengineering, 1994, 78：420-425.

［13］Wehrmann A, Morakkabati S, Kr?mer R, et al. Functional analysis of sequences adjacent to dapE of Corynebacterium glutamicum reveals the presence of aroP, which encodes the aromatic amino acid transporter［J］. Journal of Bacteriology, 1995, 177：5991-5993.

［14］Hayat S, Ali B, Ahmad A. Salicylic acid：biosynthesis, metabolism and physiological role in plants［M］. Salicylic acid：A plant hormone：Springer, 2007：1-14.

［15］Steele K, Shirodaria P, O’HARE M, et al. Monochloroacetic acid and 60% salicylic acid as a treatment for simple plantar warts：effectiveness and mode of action［J］. British Journal of Dermatology, 1988, 118：537-544.

［16］Tounekti T, Hernández I, Munné-Bosch S. Salicylic acid biosynthesis and role in modulating terpenoid and flavonoid metabolism in plant responses to abiotic stress［M］. Salicylic acid：Springer, 2013：141-162.

［17］Lin Y, Sun X, Yuan Q, et al. Extending shikimate pathway for the production of muconic acid and its precursor salicylic acid in Escherichia coli［J］. Metabolic Engineering, 2014, 23：62-69.

［18］Noda S, Shirai T, Oyama S, et al. Metabolic design of a platform Escherichia coli strain producing various chorismate derivatives［J］. Metabolic Engineering, 2016, 33：119-129.

［19］Draths KM, Frost JW. Environmentally compatible synthesis of adipic acid from D-glucose［J］. Journal of the American Chemical Society, 1994, 116：399-400.

［20］Curran KA, Leavitt JM, Karim AS, et al. Metabolic engineering of muconic acid production in Saccharomyces cerevisiae［J］.Metabolic Engineering, 2013, 15：55-66.

［21］Sun X, Lin Y, Huang Q, et al. A novel muconic acid biosynthesis approach by shunting tryptophan biosynthesis via anthranilate［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79：4024-4030.

［22］Sun X, Lin Y, Yuan Q, et al. Biological production of muconic acid via a prokaryotic 2, 3-dihydroxybenzoic acid decarboxylase［J］. ChemSusChem, 2014, 7：2478-2481.

［23］Zhang H, Pereira B, Li Z, et al. Engineering Escherichia coli coculture systems for the production of biochemical products［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112：8266-8271.

［24］Johnson CW, Salvachúa D, Khanna P, et al. Enhancing muconic acid production from glucose and lignin-derived aromatic compounds via increased protocatechuate decarboxylase activity［J］. Metabolic Engineering Communications, 2016, 3：111-119.

［25］ Skjoedt ML, Snoek T, Kildegaard KR, et al. Engineering prokaryotic transcriptional activators as metabolite biosensors in yeast［J］. Nature Chemical Biology, 2016, 12：951-958.

［26］ Vogt T. Phenylpropanoid biosynthesis［J］. Molecular Plant, 2010, 3：2-20.

［27］ Luo Y, Li B, Liu D, et al. Engineered biosynthesis of natural products in heterologous hosts［J］. Chemical Society Reviews, 2015, 44：5265-5290.

［28］Wang J, Guleria S, Koffas MAG, et al. Microbial production of value-added nutraceuticals［J］. Current Opinion in Biotechnology, 2016, 37：97-104.

［29］ Ro DK, Douglas CJ. Reconstitution of the entry point of plant phenylpropanoid metabolism in yeast（Saccharomyces cerevisiae）IMPLICATIONS FOR CONTROL OF METABOLIC FLUX INTO THE PHENYLPROPANOID PATHWAY［J］. Journal of Biological Chemistry, 2004, 279：2600-2607.

［30］ Vannelli T, Qi W, Sweigard J, et al. Production of p-hydroxycinnamic acid from glucose in Saccharomyces cerevisiae and Escherichia coli by expression of heterologous genes from plants and fungi［J］. Metabolic Engineering, 2007, 9：142-151.

［31］ Kang SY, Choi O, Lee JK, et al. Artificial biosynthesis of phenylpropanoic acids in a tyrosine overproducing Escherichia coli strain［J］. Microbial Cell Factories, 2012, 11：1.

［32］Prasad NR, Karthikeyan A, Karthikeyan S, et al. Inhibitory effect of caffeic acid on cancer cell proliferation by oxidative mechanism in human HT-1080 fibrosarcoma cell line［J］. Molecular and Cellular Biochemistry, 2011, 349：11-19.

［33］Chao P, Hsu C, Yin M. Anti-inflammatory and anti-coagulatory activities of caffeic acid and ellagic acid in cardiac tissue of diabetic mice［J］. Nutrition & Metabolism, 2009, 6：1.

［34］Olthof MR, Hollman PCH, Katan MB. Chlorogenic acid and caffeic acid are absorbed in humans［J］. The Journal of Nutrition, 2001, 131：66-71.

［35］Kim JH, Campbell BC, Yu J, et al. Examination of fungal stress response genes using Saccharomyces cerevisiae as a model system：targeting genes affecting aflatoxin biosynthesis by Aspergillus flavus link［J］. Applied Microbiology and Biotechnology, 2005, 67：807-815.

［36］Kim YH, Kwon TW, Yang HJ, et al. Gene engineering, purification, crystallization and preliminary X-ray diffraction of cytochrome P450 p-coumarate-3-hydroxylase（C3H）, the Arabidopsis membrane protein［J］. Protein Expression and Purification, 2011, 79：149-155.

［37］Berner M, Krug D, Bihlmaier C, et al. Genes and enzymes involved in caffeic acid biosynthesis in the actinomycete Saccharothrix espanaensis［J］. Journal of Bacteriology, 2006, 188：2666-2673.

［38］Louie TM, Xie XS, Xun L. Coordinated production and utilization of FADH2 by NAD（P）H-flavin oxidoreductase and 4-hydroxyphenylacetate 3-monooxygenase［J］. Biochemistry, 2003, 42：7509-7517.

［39］Soulimane T, O’Kane SR, Kolaj O. Isolation and purification of Thermus thermophilus HpaB by a crystallization approach［J］. Acta Crystallographica Section F：Structural Biology and Crystallization Communications, 2010, 66：352-356.

［40］Thotsaporn K, Sucharitakul J, Wongratana J, et al. Cloning and expression of p-hydroxyphenylacetate 3-hydroxylase from Acinetobacter baumannii：evidence of the divergence of enzymes in the class of two-protein component aromatic hydroxylases［J］. Biochimica et Biophysica Acta（BBA）-Gene Structure and Expression, 2004, 1680：60-66.

［41］Arias-Barrau E, Sandoval á, Naharro G, et al. A two-component hydroxylase involved in the assimilation of 3-hydroxyphenyl acetate in Pseudomonas putida［J］. Journal of Biological Chemistry,2005, 280：26435-26447.

［42］Furuya T, Kino K. Catalytic activity of the two-component flavindependent monooxygenase from Pseudomonas aeruginosa toward cinnamic acid derivatives［J］. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98：1145-1154.

［43］Huang Q, Lin Y, Yan Y. Caffeic acid production enhancement by engineering a phenylalanine over-producing Escherichia coli strain［J］. Biotechnology and Bioengineering, 2013, 110：3188-3196.

［44］Sun J, Lin Y, Shen X, et al. Aerobic biosynthesis of hydrocinnamic acids in Escherichia coli with a strictly oxygen-sensitive enoate reductase［J］. Metabolic Engineering, 2016, 35：75-82.

［45］Vargas-Tah A, Martínez LM, Hernández-Chávez G, et al. Production of cinnamic and p-hydroxycinnamic acid from sugar mixtures with engineered Escherichia coli［J］. Microbial Cell Factories, 2015, 14：1.

［46］Yao Y, Wang C, Qiao J, et al. Metabolic engineering of Escherichia coli for production of salvianic acid A via an artificial biosynthetic pathway［J］. Metabolic Engineering, 2013, 19：79-87.

［47］Bloch SE, Schmidt-Dannert C. Construction of a chimeric biosynthetic pathway for the de novo biosynthesis of rosmarinic acid in Escherichia coli［J］. ChemBioChem, 2014, 15：2393-2401.

［48］Kim BG, Jung WD, Mok H, et al. Production of hydroxycinnamoylshikimates and chlorogenic acid in Escherichia coli：production of hydroxycinnamic acid conjugates［J］. Microbial Cell Factories, 2013, 12：1.

［49］Yan Y, Kohli A, Koffas MAG. Biosynthesis of natural flavanones in Saccharomyces cerevisiae［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71：5610-5613.

［50］Miyahisa I, Kaneko M, Funa N, et al. Efficient production of（2S）-flavanones by Escherichia coli containing an artificial biosynthetic gene cluster［J］. Applied Microbiology and Biotechnology, 2005, 68：498-504.

［51］Koopman F, Beekwilder J, Crimi B, et al. De novo production of the flavonoid naringenin in engineered Saccharomyces cerevisiae［J］. Microbial Cell Factories, 2012, 11：1.

［52］Leonard E, Yan Y, Fowler ZL, et al. Strain improvement of recombinant Escherichia coli for efficient production of plant flavonoids［J］. Molecular Pharmaceutics, 2008, 5：257-265.

［53］Leonard E, Lim KH, Saw PN, et al. Engineering central metabolic pathways for high-level flavonoid production in Escherichia coli［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73：3877-3886.

［54］Wu J, Yu O, Du G, et al. Fine-tuning of the fatty acid pathway by synthetic antisense RNA for enhanced（2S）-naringenin production from L-tyrosine in Escherichia coli［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2014, 80：7283-7292.

［55］Yang Y, Lin Y, Li L, et al. Regulating malonyl-CoA metabolism via synthetic antisense RNAs for enhanced biosynthesis of natural products［J］. Metabolic Engineering, 2015, 29：217-226.

［56］Wu J, Zhou T, Du G, et al. Modular optimization of heterologous pathways for de novo synthesis of（2S）-naringenin in Escherichia coli［J］. PLoS One, 2014, 9：e101492.

［57］Lin Y, Shen X, Yuan Q, et al. Microbial biosynthesis of the anticoagulant precursor 4-hydroxycoumarin［J］. Nature Communications, 2013, 4：2603.

［58］Lin Y, Yan Y. Biotechnological production of plant-specific hydroxylated phenylpropanoids［J］. Biotechnology and Bioengineering, 2014, 111：1895-1899.

［59］Murray RDH, Méndez J, Brown SA. The natura, coumarins：Occurrence, Chemistry and Biochemistry［M］. John Wiley & Sons, 1982.

［60］Lin Y, Sun X, Yuan Q, et al. Combinatorial biosynthesis of plantspecific coumarins in bacteria［J］. Metabolic Engineering, 2013, 18：69-77.

［61］Furuya T, Kino K. Regioselective synthesis of piceatannol from resveratrol：Catalysis by two-component flavin-dependent monooxygenase HpaBC in whole cells［J］. Tetrahedron Letters, 2014, 55：2853-2855.

［62］Jones JA, Collins SM, Vernacchio VR, et al. Optimization of naringenin and p-coumaric acid hydroxylation using the native E. coli hydroxylase complex, HpaBC［J］. Biotechnology Progress, 2016, 32（1）：21-25.

［63］Carrizzo A, Forte M, Damato A, et al. Antioxidant effects of resveratrol in cardiovascular, cerebral and metabolic diseases［J］. Food and Chemical Toxicology, 2013, 61：215-226.

［64］Hsu S, Huang S, Chen A, et al. Resveratrol increases anti-aging Klotho gene expression via the activating transcription factor 3/c-Jun complex-mediated signaling pathway［J］. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2014, 53：361-371.

［65］Lissa D, Senovilla L, Rello-Varona S, et al. Resveratrol and aspirin eliminate tetraploid cells for anticancer chemoprevention［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111：3020-3025.

［66］Beekwilder J, Wolswinkel R, Jonker H, et al. Production of resveratrol in recombinant microorganisms［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72：5670-5672.

［67］Zhang Y, Li S, Li J, et al. Using unnatural protein fusions to engineer resveratrol biosynthesis in yeast and mammalian cells［J］. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128：13030-13031.

［68］Sydor T, Schaffer S, Boles E. Considerable increase in resveratrol production by recombinant industrial yeast strains with use of rich medium［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2010, 76：3361-3363.

［69］ Lim CG, Fowler ZL, Hueller T, et al. High-yield resveratrol production in engineered Escherichia coli［J］. Applied and Environmental Microbiology, 2011, 77：3451-3460.

［70］Byerley W, Judd LL, Reimherr FW, et al. 5-Hydroxytryptophan：a review of its antidepressant efficacy and adverse effects［J］. Journal of Clinical Psychopharmacology, 1987, 7：127-137.

［71］Lin Y, Sun X, Yuan Q, et al. Engineering bacterial phenylalanine 4-hydroxylase for microbial synthesis of human neurotransmitter precursor 5-hydroxytryptophan［J］. ACS Synthetic Biology, 2014, 3：497-505.

［72］Sun X, Lin Y, Yuan Q, et al. Precursor-directed biosynthesis of 5-hydroxytryptophan using metabolically engineered E. coli［J］. ACS Synthetic Biology, 2014, 4：554-558.

［73］Han Y, Je JH, Kim SH, et al. Gastrodia elata shows neuroprotective effects via activation of PI3K signaling against oxidative glutamate toxicity in HT22 cells［J］. The American Journal of Chinese Medicine, 2014, 42：1007-1019.

［74］Jung JW, Yoon BH, Oh HR, et al. Anxiolytic-like effects of Gastrodia elata and its phenolic constituents in mice［J］. Biological and Pharmaceutical Bulletin, 2006, 29：261-265.

［75］Ahn EK, Jeon HJ, Lim EJ, et al. Anti-inflammatory and antiangiogenic activities of Gastrodia elata Blume［J］. Journal of Ethnopharmacology, 2007, 110：476-482.

［76］Bai Y, Yin H, Bi H, et al. De novo biosynthesis of Gastrodin in Escherichia coli［J］. Metabolic Engineering, 2016, 35：138-147.

［77］Ahmadi MK, Fang L, Moscatello N, et al. E. coli metabolic engineering for gram scale production of a plant-based antiinflammatory agent［J］. Metabolic Engineering, 2016, 38：382-388.

（責(zé)任編輯 馬鑫）

Research Advance on Biosynthesis of Aromatic Amino Acids and Their Derivatives

SHEN Xiao-lin YUAN Qi-peng
（State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technolog，Beijing 100029）

Bioengineering has been used to produce various of value-added products including fine chemicals，bulk chemicals，pharmaceuticals and nutraceuticals using sustainable materials. Synthetic biology is the foundation of bioengineering which combined functional genomics，computational biology with system biology to createnovel products and optimize bioprocess. In the past decades，many powerful tools developed from synthetic biology has been used in microorganisms，plants and animals. In this review，we summarize the synthesis of aromatic amino acids and its derivatives in microorganisms and review the recent advances in bio-production of value-added chemicals using synthetic biology.

synthetic biology；aromaticacids；flavonoids；organicacids；naturalproducts

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.003

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21406010，21636001），長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（IRT13045）

申曉林，女，博士，研究方向：合成生物學(xué)，代謝工程及生物化工；E-mail：shenxl@mail.buct.edu.cn

袁其朋，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：合成生物學(xué)及代謝工程；E-mail：yuanqp@mail.buct.edu.cn