摘要:天然产物是创新药物、食品、香料和日化产品等的重要来源，和人民的健康生活息息相关。近年来，随着现代生物学技术和天然产物化学技术的发展和融合，天然产物生物合成研究得到了迅猛的发展。一批天然产物的生物合成途径被解析，许多天然产物生物合成相关的途径酶与后修饰酶被挖掘和功能表征。进一步，这些参与天然产物生物合成的途径酶编码基因被组装到不同的底盘细胞中，利用合成生物学技术构建细胞工厂，用于天然产物的生物合成。此外，包括基因组编辑等新技术在内的生物技术也被用于天然产物的生物合成。为了进一步促进天然产物生物合成研究的发展，《生物工程学报》特组织出版“天然产物的生物合成”专刊，重点阐述了在天然产物生物合成途径的解析，工具酶的挖掘和功能表征以及生物合成技术制备天然产物三方面所取得的研究进展，并展望未来的发展趋势，为天然产物生物合成的进一步发展提供借鉴和指导。

摘要:维生素C是一种人体必需的维生素，在食品制药等领域拥有巨大的市场。工业上维生素C主要以微生物发酵生产的2-酮基-l-古龙酸为前体，然后通过内酯化反应获得。微生物发酵中，山梨糖途径和葡萄糖酸途径因为转化率高一直是研究的热点。文中从维生素C生物合成相关脱氢酶的角度阐述了：山梨糖途径和葡萄糖酸途径中关键脱氢酶在定位、底物谱、辅因子和电子传递上的特点；山梨糖途径和葡萄糖酸途径中面临的主要问题和改造策略等。最后讨论了维生素C生物合成中山梨糖途径和葡萄糖酸途径可能的研究方向。

摘要:非核糖体肽合成酶合成的非核糖体肽类天然产物具有丰富的结构和多样的功能，在医药、农业、工业等领域具有广泛的应用潜力。利用合成生物技术工程改造非核糖体肽合成酶，在微生物细胞工厂中组合生物合成新型非核糖体肽分子顺应绿色化学的发展理念，是国内外学者关注的热点。文中归纳了3种不同的非核糖体肽合成酶工程改造策略，并对近年来相关领域的研究进展进行综述。

摘要:蔗糖是自然界中广泛存在的一种天然产物。在植物等生命体中，蔗糖磷酸合酶 (Sucrose phosphate synthase，SPS) 是蔗糖合成的限速酶。SPS催化合成蔗糖-6-磷酸；蔗糖磷酸酶 (Sucrose Phosphatase，SPP) 进一步把蔗糖-6-磷酸上的磷酸根水解下来而形成蔗糖。近几十年来关于SPS的研究多涉及SPS的酶活性测定、SPS的抑制剂和激活剂、SPS的共价修饰调节、SPS调节植物碳水化合物分配、SPS促进植物生长的机制、SPS如何增加果实甜度等方面，文中针对以上几个方面及SPS的晶体结构和催化机制进行了系统地综述。

摘要:甲基转移酶 (Methyltransferases，MTs) 普遍存在于所有生物有机体中，通常以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体催化底物的甲基化反应，在基因的表达调控和许多天然化合物的合成中起着至关重要的作用。近年来，在微生物中异源表达MTs以实现一些重要天然产物的生物合成取得了巨大的进步，但迄今为止这方面的研究还没有得到详细和全面的总结。文中综述了MTs在微生物合成苯丙烷类化合物、香料类化合物、激素和抗生素等重要天然产物的最新研究进展，重点阐述了应用代谢工程策略高效合成这些甲基化的天然产物，以及利用MTs拓展天然产物分子多样性的研究进展。最后，探讨了MTs应用于微生物合成天然产物所面临的挑战，并对利用MTs进一步高效生产结构和生物活性多样化的天然产物进行了展望。

摘要:植物丝氨酸羧肽酶样酰基转移酶与丝氨酸羧肽酶相比具有相似的结构特点和很高的同源性，能够催化酰基葡萄糖酯的酰基转移反应，参与植物次生代谢产物的酰基化修饰，丰富天然产物结构多样性，改善化合物水溶性、稳定性等理化性质。本文重点介绍植物来源丝氨酸羧肽酶样酰基转移酶家族的结构特点、催化机制、功能鉴定及其生物催化应用等方面的研究进展，为促进此类酰基转移酶基因的功能表征和利用合成生物技术合成活性次生代谢产物提供参考。

摘要:槲皮素3-O-糖苷是一类重要的槲皮素糖苷类化合物，具有抗氧化、抗炎、抗癌和抗病毒等多种药理活性，其代表性化合物芦丁和曲克芦丁已被开发成临床用药。由此可见，槲皮素3-O-糖苷已经成为创新药物的重要来源之一。然而，较低的生物利用度限制了槲皮素3-O-糖苷在食品、制药等行业中更广泛地应用。为提高这些化合物的生物利用度，选择性酰基化修饰是有效的途径之一，而生物酶法则是获得槲皮素3-O-糖苷酯类衍生物的重要方法。文中介绍了酰基化槲皮素3-O-糖苷的酶促合成方法，重点综述了4种能执行体外酶促酰化的工具酶 (酰基转移酶、脂肪酶、蛋白酶、酯酶) 和全细胞生物催化剂在槲皮素3-O-糖苷酯的酶促合成中的研究进展，详细阐述了酰基化修饰对槲皮素3-O-糖苷生物活性的影响。此外，还针对槲皮素 3-O-糖苷酯的高效合成方法和修饰位点多样化进行了讨论，以期为槲皮素3-O-糖苷类药物的结构修饰、开发提供新思路。

摘要:糖苷酶作为绿色温和的生物催化剂，能够水解包含糖苷、寡糖、多糖等在内的各种含糖化合物的糖苷键生成具有高生理和药理活性的衍生物，在食品、医药等工业领域应用广泛。而工业应用的糖苷酶经常需在高温条件下进行催化，以提高反应效率并减少污染，但大多数糖苷酶属于中温酶，在实际生产条件下的活性较低且损失较快，因此，提高糖苷酶在高温下的稳定性非常重要。本文综述了近年来利用定向进化、理性设计和半理性设计等策略改造糖苷酶耐热性的研究进展与应用，比较了不同策略之间的优势与不足，并对未来糖苷酶耐热性的改造方向进行了展望。

摘要:大多数药用天然产物在植物中含量低微，提取分离困难；而且这些化合物一般结构复杂，化学合成难度大，还容易造成环境污染。基于合成生物学技术获得药用天然产物具有绿色环保和可持续发展等优点。文中以药用萜类化合物人参皂苷、紫杉醇、青蒿素、丹参酮，生物碱类化合物长春新碱、吗啡以及黄酮类化合物灯盏花素为例，总结了植物来源药用萜类、生物碱类和黄酮类化合物的生物合成途径及合成生物学研究进展，介绍了药用天然产物合成生物学研究的关键技术与方法，并展望了合成生物学技术在药用天然产物研究与开发方面的应用前景。

摘要:杜松烷型倍半萜是一类双环倍半萜，立体化学复杂，具有广泛药理活性，如抗菌、抗炎、降糖等。迄今为止，已从多种植物和微生物中分离鉴定出具有不同结构及生物活性的杜松烷型化合物，相关杜松烷型倍半萜合酶的研究也取得较大进展。本文按5种结构类型对近4年 (2017–2020年) 文献发表的结构新颖的124个杜松烷型化合物进行整理，并对其药理活性进行归纳总结，同时介绍了代表性杜松烷型化合物生物合成途径的解析概况，归纳了该类天然产物生物合成过程中关键杜松烷型倍半萜合酶的研究进展，并讨论了该类天然产物的研究前景和目前面临的一些问题。

摘要:植物大麻素是具有生物活性的一系列萜类化合物的总称，被认为是大麻的专有成分。具有主要药理活性的植物大麻素为Δ9-四氢大麻酚 (Δ9-tetrahydrocannabinol，Δ9-THC) 和大麻二酚 (Cannabidiol，CBD)，均以内源性大麻素受体为靶点，通过激活内源性大麻素系统而参与人体许多生理病理过程，具有广泛的治疗潜力。目前，Δ9-THC、CBD及其类似物或组合制剂，已用于治疗癫痫、癌症化疗患者的呕吐、多发性硬化症痉挛和缓解神经性疼痛以及晚期癌症患者的疼痛。随着对Δ9-THC和CBD应用价值的深度发掘和药用标准化制剂需求量增加，Δ9-THC和CBD在制药工业中实现规模化生产迫在眉睫。通过综述近年来植物大麻素的药理学研究进展，植物大麻素生物合成途径和关键酶的作用机制以及制药工业中植物大麻素的生产策略，旨在探索利用合成生物学技术解决植物大麻素药源问题的潜力，为合成大麻素的微生物工程研发提供理论基础，促进药用大麻素的规模化生产。

摘要:由于合成色素对人类健康具有潜在危害，天然色素逐渐受到青睐。胭脂素作为类胡萝卜素物质是世界第二大天然色素，其生物合成途径是国际研究热点，目前尚未被完整解析。文中综述了胭脂素的化学特性与提取方法、合成途径研究及应用现状，比较传统提取方法与新提取技术的特点，阐述胭脂素合成通路相关基因及非生物胁迫对合成通路的影响，介绍胭脂素在食品、医药、化工产业应用现状。由于胭脂素合成通路的研究多停留在转录组水平，大多数基因功能未进行验证，文中提出综合应用基因组学、生物信息学、植物化学等学科技术进行深入研究以解析完整的胭脂素合成途径，为胭脂素合成生物学研究及新药研发奠定基础，促进胭脂素的资源开发及可持续发展。

摘要:芳香族化合物在香料中占很大的比重，传统生产方式有化学合成和植物提取。化学合成依赖于石油资源，并具有环境不友好、反应条件恶劣等缺点。植物提取方法受限于植物资源，且占用耕地。近年来，随着代谢工程和合成生物学技术的发展，利用可再生原料，微生物合成芳香族香料化合物成为一种新的生产方式。文中介绍了大肠杆菌和酵母菌等模式微生物合成芳香族香料的研究进展，包括利用莽草酸途径合成香兰素等，聚酮途径合成覆盆子酮等。综述重点介绍了生物合成途径解析、人工合成途径创建及代谢调控等，为微生物发酵法生产芳香族香料化合物提供参考。

摘要:植物芳香类天然产物具有重要的药用价值，可制成具有抗菌、抗炎、镇痛、抗氧化、杀虫驱虫、祛痰止咳、安神镇静和抗肿瘤等药效的医药保健用品。然而，由于植物中芳香类天然产物含量较低并且难以提取和纯化，严重限制了其工业化生产及应用。合成生物学和代谢工程技术的发展为天然产物的生产提供了新的思路，可以利用人工微生物细胞工厂来实现多种芳香类天然产物的高效合成。文中介绍了芳香类天然产物的种类、合成途径和关键酶，综述了近年来国内外通过合成生物学技术合成芳香类天然产物的研究进展，探讨了当前研究所面临的挑战及潜在的解决策略，以期对芳香类天然产物生物合成研究工作提供参考。

摘要:鬼臼毒素 (Podophyllotoxin，PTOX) 是来源于中药八角莲、山荷叶和桃儿七等鬼臼属植物的芳基四氢萘类木脂素。其化学半合成衍生物依托泊苷和替尼泊苷被用于多种癌症的临床治疗。作为天然产物来源新药创制的典型代表，鬼臼毒素目前依赖天然提取，供求矛盾日渐突出。生物合成具有不受资源限制、反应条件友好等优势，是鬼臼毒素及其衍生物生产的新方式。文中总结了鬼臼毒素在植物中的生物合成途径的研究进展，阐述了合成途径中关键酶的功能及其亚细胞定位，进而介绍了以模式植物烟草为底盘的鬼臼毒素合成生物学研究。最后总结了利用微生物对鬼臼毒素进行异源表达及生物转化的研究进展，以期为利用微生物细胞工厂高效合成鬼臼毒素及其衍生物提供参考。

摘要:雷公藤甲素是一种具有显著抗炎、抗肿瘤和免疫抑制活性的天然产物，市场需求量大，临床应用前景广阔。文中以雷公藤悬浮细胞为实验材料，通过对不同培养时期 (7 d、14 d) 的细胞外源性添加d,l-甘油醛 (DLG)以阻断异戊烯基焦磷酸 (IPP) 转运，分析诱导前后的细胞活性及生物量、雷公藤甲素累积量及其生物合成上游途径关键酶基因的变化规律，探究IPP转运在雷公藤甲素生物合成过程中的时空特点及其影响机制。通过实验结果可知：IPP转运参与雷公藤甲素的生物合成；在细胞培养早期，IPP转运主要经由质体 (MEP途径) 转运到细胞质 (MVA途径) 中，而细胞培养晚期则相反；阻断IPP转运，可反馈调节雷公藤甲素生物合成上游途径关键酶基因的表达，进而影响雷公藤甲素的累积。上述研究填补了雷公藤甲素生物合成过程中IPP转运特点和机制方面的空白，为雷公藤甲素合成生物学关键技术的开发奠定了理论基础，具有重要的现实意义。

摘要:植物多酚属于苯丙烷衍生物，包括酚酸类、茋类、姜黄素类和黄酮类等。它们具有抗氧化、扩血管、抗血凝、抗炎、抗肿瘤、抗病毒等生理药理活性，在医药、食品、化妆品、化工等领域具有巨大的应用市场。微生物具有生长快、培养简单、可工业化等优点，成为异源合成天然产物的重要宿主。近年来，合成生物学的发展促进了植物天然产物的微生物合成，并取得了实质性进展。文中综述了植物多酚代谢途径在工程大肠杆菌、酿酒酵母等微生物中的构建、表达和产物合成现状，讨论了提高产量的前体工程、动态调控、共培养等优化策略，并就未来的多酚途径工程提出展望。

摘要:姜黄素是姜科植物的特征性成分，具有重要的药理活性。文中利用姜黄素生物合成关键酶β-酮酰辅酶A合酶 (Diketide-CoA synthase，DCS) 基因和姜黄素合酶 (Curcumin synthase，CURS) 基因构建非天然融合基因DCS::CURS，并将其与4-香豆酰辅酶A连接酶 (4-coumarate coenzyme A ligase，4CL) 和乙酰辅酶A羧化酶 (Acetyl coenzyme A carboxylase，ACC) 基因共同引入大肠杆菌Escherichia coli，构建由阿魏酸合成姜黄素的工程大肠杆菌，利用LB培养基和改良的M9培养基进行两步发酵。通过对生长培养阶段诱导蛋白表达方法和发酵培养阶段接种菌体量、培养基组成及发酵培养时间等条件的优化，并在发酵培养阶段加入大孔吸附树脂降低产物在培养液中的累积等方法，姜黄素的合成产率达到386.8 mg/L。本研究首次将非天然融合基因DCS::CURS用于合成姜黄素工程菌的构建，得到了姜黄素产率较高的大肠杆菌菌株，为后续通过进一步复杂的代谢网络优化、构建姜黄素合成能力更强的工程菌提供参考。

摘要:萜类化合物是一类种类繁多、功能多样的化合物，部分具有抗癌、增强免疫力等作用，具有良好的生物活性，在食品、保健品以及医疗等领域应用广泛。近年来，随着对萜类化合物生物合成途径研究的深入，研究人员采用代谢工程手段构建了多种萜类产物的高产酿酒酵母工程菌株，部分已经达到或者接近工业化生产水平。因此，采用合成生物学相关技术手段合成萜类化合物，有望取代化学合成或者传统的提取模式，成为天然萜类产物的新型生产方法。文中以常见的几种萜类产物为例，介绍并探讨萜类产物的生物合成策略以及合成生物学方面的研究进展。

摘要:三萜类化合物是一类广泛应用于医药、保健和化妆品等行业的天然产物，具有巨大的商业价值。生物合成三萜类化合物依赖于环氧角鲨烯的高效合成。角鲨烯环氧化酶是整个合成途径中的关键酶，其催化NADPH依赖的环氧化反应将角鲨烯转变为环氧角鲨烯。通过筛选不同来源的角鲨烯环氧化酶，截短的大鼠角鲨烯环氧化酶 (RnSETC) 在大肠杆菌Escherichia coli工程菌中表现出最强的活性；进一步考察内源性细胞色素P450还原酶样 (CPRL) 蛋白对环氧角鲨烯合成的影响显示，在中度拷贝质粒上以Lac启动子调控NADH：醌氧化还原酶 (WrbA) 的表达使得环氧角鲨烯产量提高近2.5倍。研究结果表明，所构建的环氧角鲨烯合成途径可以在大肠杆菌中实现三萜类合成关键前体环氧角鲨烯的合成，为生物合成三萜类化合物提供了重要借鉴。

摘要:可利霉素 (Carrimycin，CAM) 是将异戊酰基转移酶基因 (Isovaleryltransferase gene，ist) 导入到螺旋链霉菌中产生的以异戊酰螺旋霉素 (Isovalerylspiramycin，ISP) 为主组分的抗生素。原工程菌中的ist基因与螺旋霉素 (Spiramycin，SP) 生物合成基因簇相距较远，且具有两种抗性基因，难以对其进行基因改造，因此需要构建新型CAM工程菌株。文中通过CRISPR-Cas9基因编辑系统靶向切割2个位点，将ist和其正调控基因acyB2通过同源重组插入到SP生物合成基因簇附近且不参与SP合成的orf54基因下游，获得2种无外源抗性基因插入的CAM产生菌54IA-1和54IA-2，经发酵产物检测发现54IA-2菌株中的ISP产量明显高于54IA-1菌株。通过实时定量PCR (Quantitative real-time PCR，qPCR) 检测证实54IA-2菌株中ist和acyB2基因以及部分SP生物合成基因的表达量均高于54IA-1菌株。为进一步获得高产菌株，以54IA-2为出发菌株，利用核糖体工程的方法筛选利福平 (Rifampicin，RFP) 抗性菌株，在RFP浓度为40 μg/mL的抗性菌株中，ISP的产量明显提高，最高可达842.9 μg/mL，比原始菌株提高约6倍。对其中7株菌的rpoB基因进行测序分析，每株菌的第576位丝氨酸都突变为丙氨酸，在其他错义突变中产量最高的菌株RFP40-6-8在第424位的谷氨酰胺突变为亮氨酸。综上所述，本研究应用CRISPR-Cas9系统成功构建了无任何抗性标记的新型CAM工程菌株54IA-1和54IA-2，并通过核糖体工程技术筛选获得了新型CAM高产菌株RFP40-6-8，为CAM工程菌株的进一步优化改造奠定了基础。

摘要:链霉菌是活性天然产物的重要来源。基因组学研究揭示了链霉菌有巨大的生物合成潜力，平均每株菌拥有20–40个生物合成基因簇。在常规的实验室条件下，大多数链霉菌来源的天然产物产量较低，影响了对其进一步研究和产业化开发。由于链霉菌中天然产物的生物合成受到严格的调控，对于这些调控因子和调控网络的深入研究将有力地促进链霉菌来源的天然产物的发现和开发利用。文中主要综述了近5年来链霉菌来源天然产物生物合成中途径特异性调控因子的研究进展，重点介绍其在提高相应天然产物产量中的应用。

摘要:Angucycline/angucyclinone类天然产物是Ⅱ型聚酮类化合物中一个庞大的家族，其产生菌广泛存在于自然界中。由于这类化合物具有丰富的生物活性和独特的化学结构，吸引了众多科学家的浓厚兴趣。随着合成生物学的发展和特殊环境来源放线菌资源的开发，不断有新骨架的angucycline/angucyclinone类天然产物被发现，极大地丰富了这一家族天然产物的结构多样性。本文对2010–2020年期间，利用改变培养条件、基因改造、基因组挖掘、活性导向、特殊环境来源放线菌培养等不同策略从放线菌中所发现的新型angucycline/angucyclinone类化合物进行综述，并对合成生物学方法在这类化合物的发现和开发中的作用进行了讨论。

摘要:活性多肽可以参与生命机体的多种生理活动，对促进人体健康发挥着重要的作用，如降血压、降血糖、降血脂和抗癌等，其创制技术也逐渐成为重要的研究和应用转化方向。本综述旨在总结天然活性多肽的发掘策略和生产技术的研究进展。目前，天然活性多肽的发掘与生产技术主要包括自上而下和自下而上两种方法，其中自上而下方法在多肽发掘方面主要为直接提取鉴定法，在生产技术方面主要包括直接提取法、酶解法和微生物发酵法；自下而上方法在多肽发掘方面包括天然活性多肽改造和数据库发掘方法，在生产技术方面主要方法包括化学合成法、酶合成法、基因重组表达法和无细胞合成法。自上而下的天然多肽制备与功能验证方法存在步骤烦琐、耗费时间长、功能不确定性大、实验与生产成本高以及质量控制难度大等问题；而自下而上的活性多肽合成与功能验证方法适合多肽药物的开发，而难以用于功能食品。随着测序和质谱技术的发展，人们更容易从分子水平获取物种蛋白组信息。以此蛋白组信息为根据，将自上而下和自下而上两种方法结合，可以克服单独使用这两种方法存在的问题，从而为快速开发和生产天然活性多肽提供新的策略。

摘要:

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