食品用萜类化合物的生物合成研究进展
萜类化合物的合成生物学研究进展
萜类化合物的合成生物学研究进展孙丽超;李淑英;王凤忠;辛凤姣【期刊名称】《生物技术通报》【年(卷),期】2017(033)001【摘要】The terpenoids represent the largest class of natural products with biological activities of antitumor and anti-allergy,thus they have been widely applied in the area of food,cosmetics and medical health,presenting huge potential and broad market prospects. Recent years,researchers applied functional genomics and metabonomics approaches to deeply study the biosynthesis pathways of terpenoids, providing tons of data for their synthetic biology. The construction of engineered yeasts using synthetic biology enabled the efficient synthesis of multi-target terpenoids,and highly improved the overall production level. Thus,the synthetic biology approach is expected to be an efficient way of producing plant-derived terpenoids. First,we introduced the concept of synthetic biology,summarized the important functions and applications of plant-derived terpenoids,briefly reviewed the biosynthesis pathways,and concluded the alternative production ways. Then,we discussed the design strategies of synthetic biology for terpenoids thoroughly. Finally,we elaborated the advances on the biosynthetic biology of varied terpenes with common terpenes as the studied cases.%萜类化合物是种类最多的一类天然产物，具有抗癌、抗过敏等多种生物活性，在食品、日化、医疗等领域受到广泛关注，展现了巨大的应用潜力和广阔的市场前景。
萜类微生物生物合成研究进展
类化 合物 的研 究进展 进行 综述 总结．
１ 紫 杉 醇
紫杉 醇 （ａ ｏ） ｔｘ １又称 红 豆杉醇 ， 最早从 太平 洋红 豆 杉 Ｔ ｘ ｓ ｒｖｆ ｌ ａ ｕ ｅｉ ｏｉ ｂ ａ的树皮 中分离 得 到 的一 类 具 有
第 ４期
高允允 ， 等 萜类微 生物 生物 合成研 究 进展
Ｄ ＸＰ Ｍ Ｅ ｈ ／ ａ 甲 ￣ 脱氧木酮糖 ５磷 酸ｐ ｔｗ 藓糖途径 Ｐ， 酰 赤 脱氧木酮 糖 磷酸， 甲酰赤藓糖途径
． ．
３５ ７
前 体 ， 是 大肠 杆 菌 缺 乏 自身 的 Ｇ Ｐ合 成 酶 ， 但 ＧＰ 无 法 进一 步提 供合 成所 需 的 ＧＧＰ ． Ｐ 因此 在 大肠 杆 菌
第 １ 卷 第 ４期 １
２ｌ Ｏ ２年 ７月
杭 州师范 大 学学报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ａ ｇ ｈ ｕ Ｎ ｒ ｌ ｎｖ ｒｉ （ ａｕ ａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ ｏ ｎ ｚ ｏ ｏ ｍａ Ｕ ｉ ｓｔ Ｎ ｔｒ ｌ ｃ ｎ ｅ Ｅ ｉｏ ） Ｈ ｅ ｙ ｅ ｉ
关 键 词 ： 类 ； 生物 ； 物 合 成 萜 微 生
中图 分 类 号 ：Ｑ８ ２ １ 文 献 标 志码 ：Ａ
文 章 编 号 ：ｌ ７ — ３ ｘ（ ０ ２ ０ — ３ ４ ０ ６ ４２ ２ ２ １ ） ４０ ７ —６
萜类 化 合物是 广泛 存在 于植物 、 微生 物 、 昆虫 中的一 类具 有丰 富种类 多样 性和复 杂结 构多 样性 的天 然
天然产物萜类化合物的生物合成机制及其应用研究
天然产物萜类化合物的生物合成机制及其应用研究植物中存在着多种生物合成物质，其中最为重要的莫过于萜类化合物。
萜类化合物是一类具有丰富生物活性的天然产物，具有广泛的医药、香料、食品等应用价值。
其生物活性来源于其独特的生物合成机制，是其被广泛应用的重要原因。
一、生物合成机制天然产物萜类化合物的生物合成机制至今仍未完全解析，但已经对其基本过程有所了解。
萜类化合物生物合成一般分为两个阶段：前期和后期。
前期包括异戊二烯合成、色氨酸形成和伞形酸甲酯合成三个过程。
异戊二烯是萜类化合物合成的关键前体，形成异戊二烯需要更基黄酮和酪氨酸的参与。
色氨酸形成过程则是预备萜类化合物合成的另一个关键步骤，要素包括甲基四氢叶酸、精氨酸和色氨酸。
伞形酸甲酯合成则是第三步骤，包括多个酶的反应。
后期生物合成则主要包括色阶烷醇类、喹诺枝内酯类、三萜酸类和咖啡酸类四个大类别。
其中，色阶烷醇类包括α-萜烯、β-萜烯、β-环己烯丙基三萜等，喹诺枝内酯类包括青霉素、白霉素等著名的抗生素，三萜酸类则包括木酮类、桂皮酸类、三萜酸类等等。
咖啡酸类是一类在植物中广泛存在的酚类化合物，也被广泛用于食品、医药和日化轻工业领域。
二、应用研究萜类化合物的广泛应用使其成为了当前热门的科研领域。
根据其生物活性和应用价值，研究人员主要在以下几个方面展开了深入探究。
1.抗肿瘤活性萜类化合物因其广泛的抗肿瘤活性，是当前备受关注的研究领域。
有研究表明，α-萜烯具有显著的抗癌作用，可以抑制肿瘤细胞的生长和分裂，并诱导肿瘤细胞凋亡。
另外，经常食用萜类化合物丰富的水果和蔬菜，不仅能够增强机体免疫力，还可以降低患癌症的风险。
2. 抗菌活性目前已有很多研究表明，萜类化合物具有广谱的抗菌活性。
如β-环己烯丙基三萜可以明显地抑制金黄色葡萄球菌的生长，三萜酸类化合物还可以对抗耐药的细菌。
这些抗菌活性对于开发新型抗菌药物具有重要意义。
3.香料应用萜类化合物具有浓郁的天然香气，因此在食品、香水、药品等行业中被广泛运用。
代谢工程改造微生物合成单萜芳香产品的研究进展
代谢工程改造微生物合成单萜芳香产品的研究进展摘要：单萜及其衍生物是重要的植物天然产物，且具有多种生物学功能。
该类物质在多个领域中均表现出较高的开发利用价值，目前已被作为优质香精香料广泛应用于食品、饮料、化妆品和医药工业中，市场需求日益增长。
从植物中提取这些单萜芳香产品存在着来源少、含量低和分离困难等缺点，很难满足市场需求。
因此，开发生产单萜芳香产品可再生的微生物资源来补充甚至代替原有的植物资源就具有重要的理论意义和应用价值。
近年来，研究人员利用代谢工程技术已经成功构建了合成单萜芳香产品的微生物细胞工厂，达到了利用微生物合成法生产该类工业产品的目的。
本文主要从菌株改造、发酵优化及产物分离等角度总结了相关产物合成的代谢工程实例，并分析了目前利用代谢工程改造微生物合成单萜芳香产品所面临的瓶颈问题及其可能的解决方法，旨在为构建异源、廉价、高效生产单萜芳香产品的微生物细胞工厂并最终实现其绿色制造提供参考。
关键词：代谢工程，单萜，单萜衍生物，微生物细胞工厂，底盘从代谢工程概念的首次提出到现在的30年左右的时间里，在分子生物学、基因组学、生物化学和基因工程等相关学科和技术的推动下，经过几代人的努力，目前代谢工程已经形成了一套比较完备的理论体系和技术方法。
现阶段，代谢工程技术的基本路线就是首先利用先进的生物理论和技术对细胞的代谢途径及调控网络进行分析并提出合理的设计策略，再结合基因重组技术对相关途径和网络进行修饰、改造、扩展或者引入，从而实现改变细胞特性或者提高特定代谢产物产量的目的。
近年来，越来越多的科研人员投身于利用代谢工程技术构建微生物细胞工厂的研究工作。
所谓的微生物细胞工厂如同一般意义上的工厂一样[1]，由微生物细胞作为制造产品的生产厂房，代谢通路担任生产线，培养基提供生产原料和动力来源，而细胞内复杂的反馈和调控机制则是生产管理系统，工厂内各个部门之间密切配合，最终目的是实现目标产品产量的最大化。
这其中最热门的研究就是利用代谢工程技术在不同微生物底盘中成功构建了包括单萜及其衍生物在内的多种植物天然产物的生物合成途径，如柠檬烯、紫苏醇、香叶醇、芳樟醇等。
金铁锁三萜皂苷合成生物学研究进展
合成的途径。
关键词：金铁锁；三萜皂苷；合成生物学；生物合成途径；酿酒酵母；进展
中图分类号：Ｒ９３２；Ｒ２８４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６－４９３１牗２０１９牘２１－０００９－０４
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅＳｙｎｔｈｅｔｉｃＢｉｏｌｏｇｙｏｆＴｒｉｔｅｒｐｅｎｏｉｄＳａｐｏｎｉｎｓｆｒｏｍ ＰｓａｍｍｏｓｉｌｅｎｅＴｕｎｉｃｏｉｄｅｓ
ＬＩＷｅｉｘｉａｎ１，２，ＺＨＡＮＧ Ａｉｌｉ２，ＱＩＡＮ Ｚｉｇａｎｇ２，ＣＨＥＮ Ｊｉｅ１，ＳＵＮ Ｈｕｉ１，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇｇａｎｇ１，ＬＩＵ Ｘｉｎｇ１
（１．ＴｈｅＴｈｉｒｄＰｅｏｐｌｅ′ｓＨｏｓｐｉｔａｌｏｆＫｕｎｍｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ，Ｙｕｎｎａｎ，Ｃｈｉｎａ ６５００４１； ２．ＹｕｎｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅ，Ｋｕｎｍｉｎｇ，
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｓａｍｍｏｓｉｌｅｎｅｔｕｎｉｃｏｉｄｅｓ；ｔｒｉｔｅｒｐｅｎｏｉｄｓａｐｏｎｉｎｓ；ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｂｉｏｌｏｇｙ；ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｐａｔｈｗａｙ；Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ
金铁锁 ＰｓａｍｍｏｓｉｌｅｎｅｔｕｎｉｃｏｉｄｅｓＷ．Ｃ．ＷｕｅｔＣ．Ｙ．Ｗｕ 是石竹科单种属植物 犤１犦，主要药理作用为镇痛、抗炎、抗 类风湿、免疫调节、抑菌、抗氧化等。目前对金铁锁的研 究主要集中在根部，其主要化学成分是三萜皂苷和环肽 类化合物 犤２犦，皂苷的母核结构为齐墩果烷型。近年来，对 金铁锁化学成分的研究主要为三萜皂苷，较为集中的是 齐墩果烷型五环三萜皂苷化合物，目前皂苷类成分被认 为是主要活性成分之一 犤３犦。金铁锁收录入《中国植物红 皮书》中，属国家二级保护植物 犤４犦。目前，由于人工栽培 技术还不完善，金铁锁药材主要通过野生采挖，对野生 植物资源造成严重破坏，且由于其自然分布区域狭窄且 生长环境极其恶劣，导致自然分布资源迅速减少。通过化 学合成或半化学合成其有效成分在一定程度上能降低成 本，提高合成效率，但毒性大，工艺流程复杂，环境污染严重。 基于合成生物学方法在微生物体内重建金铁锁三萜皂苷 的生成途径，实现金铁锁药用有效成分生物合成途径解 析，并在此基础上通过研究生物合成途径和关键酶基因 的挖掘鉴定与调控，通过金铁锁三萜皂苷人工细胞工厂
天然环烯醚萜类化合物研究进展
对环烯醚萜类化合物近年的研究成果进行概述，为基于环烯醚萜类化合物的新药发现和药物设计提供参考。
关键词：环烯醚萜类；结构分类；构效关系；生物活性；抗肿瘤
中图分类号：R284
文献标志码：A
文章编号：0253 - 2670(2011)01 - 0185 - 10
Advances in studies on natural iridoids
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 1 期 2011 年 1 月
·185·
天然环烯醚萜类化合物研究进展
董天骄 1，崔元璐 1*，田俊生 1，姚康德 2
1. 天津中医药大学中医药研究院 现代中药发现与制剂技术教育部工程研究中心，天津 2. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072
化合物115结构见图2coohho10hochoh1113roh14ohcoohho15环烯醚萜类化合物结构figchemicalstructuresiridoids12从藏药抱茎獐牙菜swertiafranchetianasmith中分离得到2个环烯醚萜苷分别命名为senburiside16senburisideiv17此类物质c7位所连苯甲酰基的间位羟基上连有一个间羟基苯甲酰基该羟基与一分子的葡萄糖成苷环烯醚萜母体的c1从唇形科植物eremostachysglabraboiss中分离得到个环烯醚萜苷分别为69epi8oacetylshanzisidemethylester1859epipenstemoside1959epi78didehydropenstemoside20
环烯醚萜类化合物在自然界广泛存在，多见于 木犀科、马鞭科、茜草科、龙胆科、玄参科、唇形 科等双子叶植物中，具有多种生物活性，如保肝、 利胆、神经保护作用、抗肿瘤、抗炎、治疗糖尿病 及其并发症等作用。近年来，研究发现环烯醚萜类 成分还具有抑制 DNA 合成的作用。曾有文献对其 化学结构与生物活性进行综述[1]。本文将结合近 10 年研究成果，从环烯醚萜类化合物的结构类型、构 效关系、生物活性等方面综述其研究进展，为系统 地研究环烯醚萜类化合物结构，及基于环烯醚萜类 化合物的新药发现和药物设计提供参考。
萜类甾体化合物
结构与性质
结构
萜类甾体化合物的结构多样，常见的结构单元包括异戊二烯、苯环、脂肪链等。
性质
萜类甾体化合物具有多种生物活性，如抗炎、抗肿瘤、抗菌等，且多数具有较 好的脂溶性，易于透过细胞膜。
生物合成途径
途径
萜类甾体化合物的生物合成途径涉及 多个酶促反应，通常起始于乙酰CoA， 经过一系列的酶促反应，最终形成不 同结构的萜类甾体化合物。
加强生物安全性评估
建立评价体系
建立和完善萜类甾体化合物的生物安全性评价体系，包括急性毒 性、慢性毒性、致畸、致突变等方面的评估。
深入毒理学研究
对萜类甾体化合物的毒理学进行深入研究，了解其作用机制和潜在 风险，为安全应用提供科学依据。
加强国际合作与交流
与国际同行加强合作与交流，共同推进萜类甾体化合物的生物安全 性评估研究，促进科研成果的共享和应用。
绿色合成
发展环境友好的合成路线，减少合成过程中的废弃物 和有害物质排放。
药物研发研究进展
药物筛选
利用萜类甾体化合物作为先导化合物，进行新 药筛选和发现。
药物作用机制
研究萜类甾体化合物在人体内的药理作用机制， 为其药物研发提供理论依据。
药物设计和改造
根据萜类甾体化合物的药理作用机制，进行药物设计和改造，以提高其疗效和 降低副作用。
化学合成法
氧化法
利用氧化剂将萜类化合物氧化成甾体化合物，该方法具有操作简便、产物纯度高等优点。
还原法
通过还原剂将不饱和键还原成饱和键，从而合成甾体化合物，该方法适用于合成具有特定结构的甾体化合物。
生物-化学联合合成法
生物催化法
利用酶的催化作用，将底物转化为所需的萜类甾体化合物，该方法具有高选择性、高效率等优点。
植物萜类合成酶及其代谢调控的研究进展
园艺学报 2011，38（2）：379–388 http: // www. ahs. ac. cn Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@ 植物萜类合成酶及其代谢调控的研究进展岳跃冲，范燕萍*（华南农业大学园艺学院，华南农业大学花卉研究中心，广州 510642）摘 要：萜类是植物中一类重要的次生代谢物，具有重要的生理生态作用及经济价值。
萜类合成酶是萜类化合物形成的关键酶，包括单萜合成酶、倍半萜合成酶和二萜合成酶等，其种类和功能决定了萜类的多样性。
萜类合成代谢具有明显的组织特异性，并受植物发育进程的调控，外界生物与非生物因子对其代谢有显著影响。
基因工程技术在一定程度上改变了转基因植株中萜类的组分和含量。
综述了近年来在萜类合成酶结构、分类和作用机理以及萜类代谢调控的研究进展。
关键词：萜类合成酶；萜类生物合成；代谢调控；花香中图分类号：S 68 文献标识码：A 文章编号：0513-353X（2011）02-0379-10The Terpene Synthases and Regulation of Terpene Metabolism in PlantsYUE Yue-chong and FAN Yan-ping*（College of Horticulture，Center of Flower Research，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）Abstract：Terpenoids are important secondary metabolites in plants，which have important physiological and ecological functions as well as economic values. The terpene synthases including monoterpene synthases，sesquiterpene synthases and diterpene synthases，are critical enzymes for the formation of terpenoids. The metabolism of terpenes is characterized with tissure-specificity，which is regulated by developments and by biotic and abiotic factors as well. In addition，the components and contents of terpenoids in transgenic plants can be altered，to some extent，by using genetic engineering. This review mainly summarizes the recent research progress in structure，classification and metabolism of terpene synthases. The regulation of terpene metabolism is also discussed.Key words：terpene synthases；terpene biosynthesis；metabolic regulation；floral fragrance花的香味在植物繁殖过程中发挥了重要的作用，而萜类化合物是组成花香的主要成分之一（Pichersky & Dudareva，2007）。
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在单萜类化合物中，薄荷醇、紫苏醇、月桂烯和芳樟 醇作为植物精油中的主要成份，是植物花、果实香味的主 要来源，因此常用于食品香精香料[14-15]。
倍半萜中α-金合欢烯可作为食品香精[12]。 在二萜中，甜 菊糖苷作为一种天然的甜味剂在食品行业中应用广泛[16]。 在三萜中，人参皂苷作为食药两用类化合物，在保健食品、 医药中应用广泛。
doi:10.11882/j.issn.0254-5071.2018.09.005
ZONG Zhen, CHENG Lei, CHEN Zhuojing, WANG Lei, WANG Chao, QI Yonggang, LIU Zhijie*
(Hubei Collaborative Innovation Center for Industrial Fermentation, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)
２０18 Vol.37 Ｎｏ．9
·22· Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．319
Ｃｈｉｎａ Ｂｒｅｗｉｎｇ
Forum and Summary
食品用萜类化合物的生物合成研究进展
宗 朕，程 磊，陈卓静，王 磊，汪 超，祁勇刚，柳志杰*
（湖北工业大学 工业发酵湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430068）
摘 要：萜类化合物在食品中有重要的应用，可用作香精香料、甜味剂、营养强化剂等，作为一类天然添加剂而受到人们的青睐。生物
食品、燃料
食品添加剂；燃料替代物
二萜 甜菊糖苷
食品
甜味剂
三萜 人参皂苷
食品、医药
功能性食品；抗病毒、抗癌、 提高免疫力、抗菌
四萜 番茄红素
食品、医药
功能性食品；抗癌、抗氧化
虾青素
食品
抗氧化，用于功能食品
多萜 视黄醇
食品
食品营养强化剂
维生素K
食品
食品营养强化剂
四萜和多萜类化合物在食品中应用较多，如四萜中的
合成法作为萜类化合物合成中最具发展潜力的方法而备受关注。 该文从萜类化合物在食品中的应用，萜类化合物生物合成途径，微
生物合成萜类化合物的研究进展三方面进行介绍，旨在为生物合成食品用萜类化合物的研究提供参考。
关键词：食品；萜类化合物；微生物；生物合成
中图分类号：Q812
文章编号：0254-5071（20１8）09-00２２-0６
表1 各类型萜类化合物在食品及其他领域中的应用 Table 1 Application of various terpenoids in food and other fields
类型 名称
应用领域
用途
半萜 异戊醇
食品、燃料
配制食品赋香剂
异戊烯醇
食品、香精香料、农药
香精香料的中间体；合成拟 除虫菊酯中间体的原料
food; terpenoids; microorganism; biosynthesis
1 萜类化合物生物合成系统研究的意义 萜类化合物是广泛存在于动物、植物、微生物中的一大
类天然化合物，以异戊二烯为基本骨架，在各种合成酶、修 饰酶作用下生成，又称为类异戊二烯（isoprenoid）。 根据结 构中异戊二烯数目，可将其分为半萜、单萜、倍半萜、二萜、 三萜、四萜及多萜。 在萜类化合物的合成过程中，由于合 成所需的萜类合酶（terpene synthases，TPS）以及修饰酶的 多样性[1-2]，使得最终生成的萜类化合物结构繁多，种类丰 富，具有多样的生物活性及理化性质，在医药[3-6]、农药[7-8]、食 品、日化用品[9-10]、能源[11]等多个领域拥有广泛的应用及广 阔的发展前景，萜类化合物在食品中的应用见表1。
收稿日期：2018-04-26
修回日期：2018-08-28
基金项目：湖北省自然科学基金计划项目（2018CFB358）；湖北工业大学博士启动基金（BSQD2017033）
作者简介：宗 朕（1995-），男，硕士研究生，研究方向为微生物代谢工程。
*通讯作者：柳志杰（1988-）, 男，讲师，博士，研究方向为代谢工程。
专论与综述
中国酿造
２０18 年 第 37 卷 第 9 期
总第 319 期
·23·
番茄红素和虾青素均具有很强的抗氧化活性[17-18]，可作为 功能食品的功能成分；多萜中的视黄醇对维持人体正常发 育以及正常视觉功能具有重要作用，维生素K对正常凝血及 骨骼代谢具有重要作用，因此两者常用作食品营养强化剂。
单萜
薄荷醇
食品、香精香料、医药
食品赋香剂；医药上作用于 皮肤，清凉止痒
紫苏醇
食品、香精香料、医药
配制食品赋香剂；抑制结肠 癌、乳腺癌
柠檬烯
食品、日化
食品赋香剂；日化用品香味 成份
月桂烯
食品、香精香料
食品赋香剂；日化用品香味 成分
芳樟醇
食品、香精香料、医药
Terpenoids, which can be used as flavors, fragrances, sweeteners and nutritional enhancers, have important applications in food. They were favored by people as a natural additive. Biosynthesis has attracted much attention as the most potential method for terpenoids synthesis. This paper introduced the application of terpenoids in food, biosynthesis pathway of terpenoids and the research progress of microbial synthesis of terpenoids, which aimed to provide a reference for the research of biosynthesis of terpenoids for food.