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2025年10月31日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心、植物性狀形成與塑造全國重點實驗室、合成生物學實驗室王勇研究組在Engineering期刊在線發(fā)表題為“Fine-Tuned Transcription Factor Engineering and Precursor Rewiring Drive Enhanced Production of Berberine in Nicotiana benthamiana”的研究論文。該研究首次利用植物底盤本氏煙草(Nicotiana benthamiana)，完整重建小檗堿的生物合成全途徑，實現(xiàn)了這一復雜天然產(chǎn)物的從頭合成。

小檗堿是一種具有顯著藥理活性的芐基異喹啉類生物堿（BIAs），廣泛應用于抗炎、抗菌、代謝性疾病治療及神經(jīng)保護等領域。開發(fā)其綠色、可持續(xù)的生產(chǎn)方式一直是合成生物學的研究熱點。王勇研究組此前基于大腸桿菌底盤系統(tǒng)實現(xiàn)了小檗堿前體—(S)-四氫小檗堿的從頭合成，創(chuàng)下微生物底盤合成原小檗堿的最高水平。然而，由于該類化合物的合成途徑復雜且具有細胞毒性，進一步提升微生物合成效率仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

為突破這一瓶頸，研究組充分利用植物特有的空間區(qū)室化與代謝穩(wěn)態(tài)特性，系統(tǒng)探索復雜BIAs有效合成新策略。通過質體代謝重構與轉錄因子精細調控工程（Fine-Tuned Transcription Factor Engineering），團隊在本氏煙草中實現(xiàn)了小檗堿的從頭合成，建立了穩(wěn)定高效的植物底盤系統(tǒng)，為基于植物底盤的BIAs及其他高值天然產(chǎn)物的綠色制造奠定了重要基礎。

針對本氏煙草體系前體匱乏問題，團隊重塑了質體與胞質中的L-酪氨酸供應。研究發(fā)現(xiàn)，利用質體信號肽Rs1A將大腸桿菌來源的抗反饋型TyrA^fbr (CM2/PDH) 和TyrB（TAT同源酶）精準導入質體，顯著增強L-酪氨酸合成通量。同時，通過引入甜菜酪氨酸羥化酶BvCYP76AD5、惡臭假單胞菌脫羧酶PpDDC 和藤黃微球菌單胺氧化酶MlMAO，構建高效的多巴胺和3,4-二羥基苯乙醛（3,4-DHPAA）合成通路，使關鍵中間體(S)-網(wǎng)狀番荔枝堿產(chǎn)量提升6.26倍，達到17.76 μg·g?1干重；在下游酶模塊引入后，小檗堿積累達2.60 μg·g?1。

盡管成功地重建了通路，非靶向代謝組學分析表明，莽草酸途徑下游的主要競爭支路—苯丙烷代謝物大量積累。為進一步優(yōu)化代謝平衡并緩解宿主脅迫，團隊建立了基于弱啟動子介導的轉錄因子精細調節(jié)系統(tǒng)。該策略有效調控了煙草中小檗堿的代謝通量，同時平衡了與宿主穩(wěn)態(tài)，顯著改善了傳統(tǒng)強啟動子驅動引發(fā)的壞死表型。將CjWRKY1表達從高水平降低至中等水平，成功消除了細胞毒性，并使小檗堿產(chǎn)量提升222%（至7.33 μg·g?1）。轉錄組比較分析進一步揭示，轉錄因子可誘導內(nèi)源性同源酶的表達，從而有效補充異源通路功能。最終，通過酶工程獲得高活性 AmBBE1^F398W/I431F突變體，協(xié)同調控后小檗堿產(chǎn)量進一步提升至13.91 μg·g?1，經(jīng)熱處理（98 ℃，24 h）最終達到15.03 μg·g?1干重。

該研究成果首次在植物底盤體系中實現(xiàn)小檗堿的從頭合成，這是復雜BIAs異源合成領域的又一突破，為基于植物底盤的復雜天然產(chǎn)物的高效生物制造提供了樣本。

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心田晨菲博士和張前博士為該論文并列第一作者，王勇研究員與劉海利副研究員為共同通訊作者。本研究獲得國家重點研發(fā)計劃、上海市科技重大專項及中國科學院先導B等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.10.021

基于質體代謝重構和轉錄因子精細調控新策略實現(xiàn)本氏煙草中小檗堿從頭合成