糖基转移酶在三萜皂苷合成中的应用“秘笈”

　　摘要

　　三萜皂苷类化合物通常由一个或多个糖基连接在疏水的皂苷元上构成，其作为传统中草药的活性成分有着广泛应用。三萜皂苷类化合物的传统获取方法是从植物中提取，由于植物中三萜皂苷类化合物含量较低，植物生长受到土地资源、气候、环境等因素影响较大，严重制约了其大规模推广和应用。利用合成生物学技术，设计构建微生物细胞工厂合成三萜皂苷类化合物被认为是一种变革性的生产方法，成为新的研究热点。在三萜皂苷类化合物的合成过程中，糖基转移酶起着重要作用。阐述了利用糖基转移酶合成三萜皂苷类化合物的研究进展，为三萜皂苷类化合物的进一步应用提供参考。

　　引言

　　三萜类化合物是一类由6个异戊二烯单元（C5H8）组成的结构多样的化合物，在植物中这类化合物常以其糖基化形式存储——即三萜皂苷。三萜皂苷由疏水的三萜皂苷元连接一个或多个糖基构成（图1）。植物体内的三萜皂苷类化合物在植物体防御微生物和食草动物侵害及信号传导等方面起到重要作用。现代药理学研究证实，一些三萜皂苷类化合物对人体也有很强的生理活性，因此存在较高的药用价值，在医疗健康行业、食品行业、农业等方面均有应用，受到广泛关注。三萜皂苷类化合物的传统制备方法是从植物中提取，但由于植物中含量较低，且提取工艺复杂，加之植物生长周期较长，受到气候环境等因素影响较大，无法为天然产物提取提供稳定的原料来源，极大地限制了其大规模生产。此外，也有利用植物细胞培养的方法生产这类化合物，但由于培养植物细胞所需周期长、操作复杂且生产成本较高，并且存在目标代谢产物的产量不稳定等问题，难以进行工业化生产；化学合成法方面，由于这类天然产物结构较复杂，合成过程烦琐，合成的产物中存在手性异构体难以分离，不易实现工业化。微生物由于具有培养周期短、可利用廉价碳源、适于进行大规模发酵等优点，为解决植物天然产物获取过程中存在的资源短缺和环境污染等问题提供了新的思路。运用合成生物学方法构建用于生产三萜皂苷类化合物的微生物细胞工厂已成为热门研究课题。

　　图1部分三萜皂苷类化合物结构式

　　结论与展望

　　利用合成生物学和代谢工程手段，设计快速、便捷的异源合成三萜皂苷类化合物的方法有着巨大的应用前景，在这个过程中，糖基转移酶起着关键作用。由于糖基转移酶具有独特的区域选择性和立体选择性，因此，在解析酶的晶体结构基础上，阐明不同的糖基转移酶在三萜皂苷的不同位置和不同寡糖链形成中的催化机制对于高效合成三萜皂苷及新型皂苷类化合物具有重要意义。目前，研究较多的糖基转移酶主要是参与形成O-糖苷键的糖基转移酶，但对于参与形成N-糖苷键、S-糖苷键以及C-糖苷键的糖基转移酶的研究较少，这类糖基转移酶对于合成新的糖苷化合物，特别是对于人体具有生物活性物质来说是极具吸引力的。

　　综上所述，当前采用合成生物学方法，利用糖基转移酶进行糖基化反应合成三萜皂苷类产物的研究受到广泛关注。尽管目前通过构建微生物细胞工厂来获取天然产物的生产方式与预期还有一定差距，对于天然产物合成途径相关的基因元件的挖掘以及合成路径的解析还处于初步探索阶段，如何精确高效地预测相关基因元件一直是人们面临的问题。此外，利用微生物细胞工厂获取植物天然产物的方式还不能完全替代传统的方法，微生物合成一些天然产物的产量尚不足以达到工业化要求。但可以预见，伴随着合成生物学和代谢工程的发展，以及高通量测序技术和代谢组学技术的发展，非模式植物的基因组和转录组的测序将会更加高效准确，通过对这些基因组、转录组数据进行挖掘，有望加快三萜皂苷生物合成相关的新基因的发现，对于三萜皂苷类天然产物合成途径的解析也将会逐步深入。伴随着人工智能理论和技术的发展，未来，通过将人工智能等自动化技术与新基因的挖掘、筛选，代谢途径的优化，高效细胞工厂的构建结合起来，将大大地降低人力物力耗费、节省时间成本。

　　通过挖掘相关基因元件，设计合成路径来构建细胞工厂，高效获取这类天然产物将继续成为未来一段时间的研究方向。近些年，随着酵母等微生物用于生产植物天然产物方面取得了显著进展，重组酵母的三萜皂苷途径工程有望发展成为一种适合于三萜皂苷类化合物工业化生产的工艺。相信在不久的将来，人们将迎来一个全新的利用微生物合成植物天然产物的合成生物学时代。

　　1、三萜皂苷的应用前景及制备现状

　　1.1三萜皂苷的应用前景

　　1.2三萜皂苷的制备现状

　　图2 MVA途径和MEP途径示意图

　　1.3三萜皂苷合成相关基因的挖掘

　　2、糖基转移酶与三萜皂苷的合成

　　2.1糖基转移酶的分类及催化机理

　　2.2糖基转移酶在三萜皂苷合成中的应用

　　图3反转型和保留型糖基转移酶催化机制