中药(Chinese herbology、Traditional Materia Medica)，是指在汉族传统医术指导下应用的药物。中药按加工工艺分为中成药、中药材。中药主要起源于中国，除了植物药以外，动物药如蛇胆，熊胆，五步蛇，鹿茸，鹿角等;介壳类如珍珠，海蛤壳;矿物类如龙骨，磁石等都是用来治病的中药。少数中药源于外国，如西洋参。

　　[摘要] 中药功效成分是中药发挥防病治病等重要作用的主要活性物质，大多数的中药功效成分都来自药用生物次级代谢产物衍生物。目前中药功效成分的获取主要是从源生物中直接提取，提取成本高，收益极低。中药微生物合成生物学，通过在微生物中导入目标产物的合成途径，利用微生物进行发酵生产目标成分，是一项具有发展前景的中药活性物质获取途径。通过异源宿主发酵大规模产中药功效成分，解决了中药功效成分含量低，提取分离困难，未来将极大缓解中药功效成分供需不足的局面。该文从中药功效成分合成生物学实例进展以及中药功效成分合成生物学策略2个方面对中药功效成分合成生物学进行综述。

　　[关键词] 中药功效成分;合成生物学

　　中药功效成分是中药发挥防病治病等功能的物质基础，其大多是来自药用植物的次生代谢产物或其衍生物，具有多种药理学活性，如抗癌，抗氧化，提高免疫力等。根据生物活性的起源这些中药功效成分可分为苯丙烷类(phenylpropanoids)、异戊二烯类(isoprenoids)、多聚酮类(polyketides)、生物碱类(alkaloids)以及黄酮类(flavonoids)[1]。不同种类的中药功效成分在药物开发中均有应用，如抗疟疾药物青蒿素，用于治疗阿兹海默症的石杉碱A，用于治疗感冒的麻黄素、抗癌药物喜树碱以及对埃博拉病毒感染具有治疗效果的粉防己碱，在治疗肥胖中有巨大潜力的南蛇藤醇等[24]。这些例子都展示了中药功效成分在疾病治疗与防御以及其他未解决的疾病方面有很大的应用前景。

　　目前，中药功效成分的获取途径主要有①直接从药源植物中分离提取;②化学及半化学合成途径;③基于作用机制了解清晰的基础上，寻求替代物;④利用植物细胞或组织培养技术;⑤微生物合成法。

　　直接从中药中分离提取有效活性成分是目前中药功效成分获取的主要途径。但该方法过度依赖于中药资源，据统计，这些活性成分大约2/3来源于野生资源，而药用功效成分多为次级代谢产物，在植物中的积累量极低，如红参中稀有人参皂苷Rh2的质量分数低于0.001%[5];虽然中药的栽培技术已日渐成熟，但其培养条件要求较高，且耗时耗力，生产成本高;而通过化学合成，无论是化学合成或半化学合成的方法，都会受其特殊的化学结构如手性及不对称中心的限制;利用药用植物细胞或组织培养，能够克服以上多方面问题，目前，以中药功效成分为生产目标的细胞工程数量大约有100多种，研究表明，约40种活性物质经组织培养，其含量甚至高于原植株水平，但大多数中药组培机制研究不甚清楚，而且受基因型以及细胞毒性，生产成本等限制，除了较为典型的例子如人参、紫草外，利用该方法进行工业化生产成功的例子并不多。

　　中药功效成分的微生物合成生物学法，即在系统生物学基础上，采用工程学的设计思路和方法，通过对相关功能基因的模块化设计及改造，并充分考虑合成过程中适配性的问题，将中药功效成分的合成过程或其前体物质的生物合成途径转移到微生物细胞中，利用微生物的发酵过程完成药用天然活性物质的高效异源的合成。该方法主要是基于目标产物生物合成路径较为清晰的基础上利用微生物易于培养，不受环境影响且生长周期短，生产系统规范化，反应条件温和易于控制，产物成分较为单一，易于分离和提取以及环境友好等特点，解决中药功效成分来源稀缺，化学合成困难，以及造价高的一系列问题，为中药功效成分的工业化生产以及可持续利用提供了一个新的可行的方法。因其在生产中所带来的巨大作用，“合成生物学”被誉为可改变世界的十大新技术之一。本文将介绍中药功效成分合成生物学的应用及研究进展。

　　一、中药功效成分合成生物学进展

　　随着本草基因组学[6]、高通量测序结合分子生物学工具等的应用，大大加速了中药功效成分合成生物学的研究进展，在不同的底盘生物如大肠杆菌、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌等，多种中药功效成分尤其是来源于药用植物的单体药物等都取得了巨大的研究进展。

　　1.1 青蒿素

　　青蒿素的合成，从黄花蒿中提取青蒿素是目前获取青蒿素的主要途径，每年全世界对青蒿素的需求都在增加，而黄花蒿中青蒿素质量分数很低仅为0.01%～0.8%，单一从黄花蒿中提取青蒿素没法满足其巨大的需求。随着参与青蒿素生物合成的各种酶基因不断得到克隆，通过转基因手段在植物体内促进其生物合成、或在微生物中重建其代谢途径的工作取得了较大的进展[717]。

　　2003年Keasling实验室[7]将优化后的紫槐二烯合成酶基因ADS导入大肠杆菌中，通过结合来自酵母的甲羟戊酸途径(MVA)的相关基因，首次合成了青蒿素的关键前体物质紫穗槐二烯，通过发酵优化，其产量达到了0.5 g・L-1。尽管经过不断的优化研究，大肠杆菌工程菌株产紫槐二烯的量达27.4 g・L-1[8]，但是因为P450基因在大肠杆菌体内表达的受限，上下游代谢流的不匹配，使得团队将青蒿酸的合成从大肠杆菌转移到酵母菌株上来。2006年，该团队成功鉴定了催化紫穗槐二烯到青蒿酸的关键基因细胞色素P450氧化酶基因(CYP71AV1)，基因功能显示该酶催化紫穗槐4，11二烯的三步氧化，生成青蒿酸。团队将ADS基因连同鉴定的CYP71AV1和与其相关的还原伴侣AaCPR基因同时在酵母中进行表达，成功构建了第一株产青蒿酸的酵母菌株，尽管青蒿酸的产量仍旧比较低，但是这一工作具有创新的意义[910]。2008年Covello研究小组[11]发现青蒿醛Δ11(13)双键还原酶基因(DBR2)在青蒿的腺毛组织组织中表达量很大，克隆该基因其功能催化显示这一基因对于青蒿醛这一底物具有很高的活性。研究团队在酵母中将DBR2基因连同ADS， CYP71AV1和CPR基因一起导入后，在酵母菌株中产生二氢青蒿酸。Donald等[12]将截短了的3羟基3甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR1)基因(tHMGR)导入酿酒酵母中，增加了HMGR1的表达量从而使角鲨烯的合成量大大提高。由于角鲨烯合酶(ERG9)促使法尼基焦磷酸(FPP)流向角鲨烯， 相对的抑制了青蒿素的合成，因此，Ro等[9]通过抑制鲨烯合酶基因(ERG9)的表达减少FPP流向角鲨烯，使紫穗槐二烯产量提高了2倍。Pitera等[13]研究小组通过增加HMGR和法呢酰二磷酸酯合酶基因(ERG20)的拷贝数，提高了紫穗槐二烯的产量。另研究发现萜类调控因子蛋白UPC2是酵母细胞一个重要转录因子，调控固醇生物合成，对其进行过表达，能够提高紫穗槐的产量。

　　2013年，Keasling团队研究发现，相比UPC5，细胞色素b5基因(CYB5)能有效促进青蒿醇到青蒿醛的反应，而通过对青蒿腺毛转录组数据的分析，鉴定了乙醇脱氢酶基因(ADH1)和乙醛脱氢酶基因(ALDH1)分别是催化青蒿醇形成青蒿醛，青蒿醛形成青蒿酸的基因，这2个基因在酵母体内的表达，大大降低了青蒿酸中间产物青蒿醇和青蒿醛的产量，大幅度提高了终产物青蒿酸的产量，结合超表达上游MVA的所有基因包括乙酰乙酰辅酶A硫解酶基因(ERG10)，HMGCoA合酶基因(ERG13)，tHMG，甲羟戊酸激酶基因(ERG12)，磷酸甲羟戊酸激酶基因(ERG8)，二磷酸甲羟戊酸脱羧酶基因(ERG19)，异戊烯基二磷酸异构酶基因(IDI)和ERG20同时通过启动子的替换将ERG9基因表达强度进行弱化以减少碳流走向三萜途径，青蒿酸合成途径的下游基因包括ADS，CYP71AV1，CYB5，ADH1，ALDH1等基因在酵母体内进行表达。这些菌株改造结合优化的发酵策略，酵母产青蒿酸的产量达到了25 g・L-1，初步达到了工业化水平[17]。除了增加通往青蒿素生物合成的代谢流，提高青蒿素的贮存能力也是解决青蒿素产量问题的一个有效途径[1415]。

　　青蒿素生物合成的工业化必将带来青蒿素生产方式的彻底变革， 也是缓解日益严重的青蒿素短缺局面的根本出路。同时，采用酵母发酵产青蒿素，其最终产物仅有青蒿素，目的产物含量高且单一，大大降低了后期分离纯化的成本。

　　1.2 紫杉醇

　　紫杉醇是一种紫杉烷二萜类化合物，基本骨架为三环二萜[18]。1971年首次由Wani等从短叶红豆杉Taxus brevifolia树皮中提取出来一种次级代谢产物，具有低毒、高效的抗癌效果[19]，自1992年上市以来，一直是治疗卵巢癌、乳腺癌等癌症的首选药物，是目前最好的抗癌药物之一，市场需求巨大。

　　目前，紫杉醇的生产方法主要包括源植物提取法[20]、化学合成法以及生物合成法。紫杉醇的半合成法，是工业化生产紫杉醇的主要方法[2123]，合成该技术已比较纯熟，但紫杉醇的生产仍受限于有限的红豆杉资源，无法满足市场需要;利用合成生物学技术，通过微生物来合成紫杉醇的前体物质，再运用半合成法合成紫杉醇是目前应用前景最广阔的一种方法，经过多年的研究，已经取得了巨大的进展[5，7，2426]。

　　Huang等[24]将脱氧木酮糖5磷酸合酶基因(DXS)基因同IDI异构酶基因、�脚6�基�脚6�基二磷酸合酶(GGDPs)基因以及紫杉醇二烯合酶基因在大肠杆菌BL21(DE3)中进行共表达，以异戊二烯焦磷酸为原料进行发酵，合成了紫杉醇合成途径中的重要中间体――紫杉二烯，产量为13 mg・L-1。首次成功的在工程菌株中合成紫杉烯，为紫杉醇的微生物合成提供了基础。Ajikumar等[25]利用代谢工程多元模块法，以异戊烯焦磷酸(IPP)为节点，将紫杉醇生物合成途径分为2个模块，即：产IPP的内源性2甲基D赤藓糖醇4磷酸(MEP)途径的上游模块和合成异源萜类化合物途径的下游模块。上游模块包括MEP途径的4个关键酶基因(dxs，idi，ispD和ispF)，由操纵子(dxsidiispDF)控制过表达;下游模块包括2个基因焦磷酸牛龙牛儿基牛龙牛儿酯(GGPP)合酶基因(G)和紫杉二烯合成酶基因(T)。将下游模块导入底盘细胞中并过表达上游模块后，虽然紫杉醇二烯的代谢流有所增加，但其合成量极少(不足10 mg・L-1)，因此，该研究小组采用“多元系统搜索”的方法寻找上下游模块平衡的最优组合，并通过改变质粒拷贝数和启动子强度的方法对下游模块的表达进行调节，使其达到最优化，最后紫杉醇二烯合成量最高达1.02 g・L-1，是紫杉醇中间体紫杉醇二烯合成量最高的报道。Zhou等[26]通过大肠酵母共培养技术进行紫杉醇的微生物合成，首先在酿酒酵母BY4700中融合表达5αCYP(P450 taxadiene 5αhydroxylase)基因和其还原酶基因CPR来催化紫杉醇合成过程中的第一个氧化反应，然后将培养基中的碳源由葡萄糖替换为木糖以解决共培养过程中乙醇对菌体及目的产物的抑制作用;增加酵母接种量，将上述构建的酵母菌株中的融合基因5αCYPCPR启动子替换为UASGPDp，在大肠杆菌中过表达葡糖胺磷酸乙酰转移酶(pta)，乙酸激酶(ackA)，并敲除atpFH和ACS基因以增加含氧紫杉烷类的合成量;最后将更换了强启动子的TAT(taxadien5αol acetyltransferase)基因和融合了一个CYP还原酶的10βCYP(taxane 10βhydroxylase)基因在上述构建好的酵母菌株中进行共表达，最终含氧紫杉烷类合成量为33 mg・L-1，提高了酵母产紫杉醇前体产物的产量并为无法发在单一微生物中进行生物合成的化合物的合成提供了一种新的解决方法。

　　1.3 人参皂苷