人参皂苷(ginsenoside)是由三萜苷元和糖、糖醛酸以及其他有机酸组成的三萜皂苷类化合物，是人参及西洋参的主要活性成分，具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化作用[27]。随着人参皂苷的生物合成路径的解析和相关酶的基因的克隆及鉴定，应用发酵菌株合成人参皂苷也取得了巨大的成功。

　　2013年，中国学者戴住波等[2829]将人参来源的达玛二烯合成酶基因(PgDDS)，原人参二醇合成酶基因(CYP716A47)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)来源的AtCPR1基因，导入酵母菌株中，并对相关基因tHMG1，ERG20，ERG9，ERG1等进行了系统调控，同时对相关密码子进行优化成功构建出了产原人参二醇的工程菌株，原人参二醇的产量1.2 g・L-1，较原始出发菌株产量提高了262倍。这是首次人参皂苷重要前提物质原人参二醇在酵母中实现从葡萄糖的合成。接着该团队构建了同时可以生产原人参二醇、原人参三醇以及齐墩果酸的酵母菌株，其发酵产量可以生产17.2 mg・L-1的原人参二醇，15.9 mg・L-1的人参三醇以及21.4 mg・L-1的齐墩果酸，实现酵母细胞同时生产多种人参功效成分。

　　2015年，Zhou等[26]成功克隆出了糖基转移酶(UGT)的UGTPg1基因，该基因可以催化原人参二醇合成人参皂苷CK这一物质，CK被证实是人参皂苷进入血液中起功效的活性成分，在鉴定这一基因后，该团队在酵母细胞中组装了人参皂苷CK合成途径的基因，最终利用酵母细胞成功生产人参皂苷CK。接着，基于人参的转录组数据，该团队在进一步的工作中鉴定了UGTPg45和UGTPg29这2个糖基转移酶的基因，UGTPg45在原人参二醇的3号碳位的羟基上加入葡萄糖，形成人参皂苷Rh2， UGTPg29则是进一步催化人参皂苷Rh2形成人参皂苷Rg3，验证此2个基因的催化功能后，在酵母细胞中组装原人参二醇合成基因以及UGTPg45和UGTPg29，最终成功构建了产人参皂苷Rh2和Rg3的酵母菌株，尽管目标产物的生产浓度还比较低，都在μmol・gDCW-1的水平，但是这些工作为昂贵的单一人参皂苷生物合成提供了坚实的基础。

　　1.4 丹参酮

　　丹参酮是丹参中一类从唇形科植物丹参中提取得到的具有显著药理活性的脂溶性二萜化合物，包括丹参酮I、丹参酮ⅡA、丹参酮ⅡB、隐丹参酮、异隐丹参酮等10余种化合物，具有抑菌，抗炎，抗凝血等作用，是国际上广泛认可的用于治疗心脑血管疾病的天然药物之一[3031]。

　　二萜类化合物合成来自2个常见的前体物质：IPP和二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)模块，它们在酵母中通过MEV途径合成。而大部分IPP和DMAPP前体物质进入麦角固醇合成路径。在此基础上，研究者们通过多种合成生物学策略来提高酵母中合成丹参酮的量，例如Dai等[32]研究表明过表达tHMGR基因和突变监控因子基因(upc2.1)，可以增加FPP的供给量，但次丹参酮二烯合成量并未增加，反而积累了大量的鲨烯(78 mg・L-1)。与此相反，通过过表达融合基因FPP合酶(ERG20)和内源性的GGPP合酶基因(BTS1)以及来自酸热硫化叶菌的异源性的GGPP合酶基因(SaGGPS)，次丹参酮二烯产量增加到了8.8 mg・L-1。过表达ERG20BTS1和SaGGPS基因将次丹参酮二烯产量从5.4 mg・L-1增加到了28.2 mg・L-1。过表达tHMGRupc2.1和ERG20BTS1SaGGPS在产次丹参酮二烯时具有协同作用，次丹参酮二烯产量61.8 mg・L-1，最后经流加培养发酵，次丹参酮二烯产量488 mg・L-1，为丹参酮的生物合成奠定了基础。丹参生物合成路径中的共同前体物质――次丹参酮二烯是由SmCPS和SmKSL催化合成。高伟等[3334]首次克隆了编码丹参柯巴基焦磷酸合酶(SmCPS)、丹参类贝壳衫烯合酶(SmKSL)的全长基因，随后将这2个基因通过模块组合的方式将SmCPS和SmKSL以及BTS1，ERG20，tHMG等5个基因导入酵母底盘细胞中，次丹参酮二烯产量达到365 mg・L-1。Guo 等[3536]鉴定了14个与次丹参二烯生物合成相关的CYP450基因，将CYP76AH1及来自于丹参的细胞色素还原酶基因SmCPR1和SmCPR2基因整合到产次丹参酮二烯的工程菌株中，铁锈醇合成量为10.5 mg・L-1，同时发现铁锈醇的产量和次丹参酮二烯的积累量呈负相关。随后通过进一步的共表达分析，又发现了丹参酮生物合成分支路径上的2个新的P450还原酶基因CYP76AH3和CYP76AK1，并通过生化方法以及RNA干扰技术表明CYP76AH3在2种不同的碳中心使铁锈醇氧化，CYP76AK1羟化产生的2个生成的中间体的C20，最终将铁锈醇氧化为11，20二羟铁锈醇，11，20二羟柳杉芬，进一步实现了对丹参酮中间产物的发现。

　　1.5 红景天苷

　　红景天苷(salidroside)是一种多元皂苷，为红景天Rhodiola rosea (也称为“西藏人参”)植物中最为重要的生物活性成分[3738]，具有多种生理调节属性，如抗氧化、抗微波辐射、抗疲劳、抗病毒、抗肿瘤以及抗衰老等[3940]。然而红景天生存环境恶劣(一般生长在高海拔寒冷地区)，传粉困难且生长缓慢，加之近年来的过多开发，野生红景天的资源正在枯竭的边缘[41]，此外，红景天中红景天苷的质量分数相对较低，仅为0.5%～0.8%，远不能满足人们日益增长的需求。

　　研究表明，红景天苷属于酪氨酸代谢产物，其合成路径解析已较为清楚：来自于莽草酸途径的L酪氨酸通过酪氨酸脱羧酶(TDC)转化为酪胺;随后酪胺在酪醇氧化酶(TYO)和乙醇脱氢酶(ADH)的连续催化作用下进一步转换成红景天苷的苷元――酪醇[42]，随后酪醇和尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)在尿苷二磷酸葡萄糖基转移酶(UDPglucosyltransferase，UGT)催化作用合成红景天苷。Bai等[43]成功运用酵母丙酮酸脱羧酶(ARO10)，内源性ADHs， 来自红景天的糖基转移酶UGT73B6，第一次成功地在大肠杆菌中合成了红景天苷。随后经过一系列的基因操作，包括灭火特异性转录调节基因tyrR，删除丙酮酸激酶基因pykA和pykF以及分枝酸变位酶/预苯酸脱水酶基因pheA，过表达编码L络氨酸途径中各种酶的基因，包括分支酸变位酶/预苯酸脱氢酶的反馈抑制突变基因tyrA(tyrA×syn)，脱氧阿拉伯糖型庚酮糖磷酸合酶的反馈抑制突变基因，即aroG(aroG×syn)，磷酸烯醇丙酮酸合酶基因(ppsA)，转酮醇酶(tktA)，莽草酸脱氢酶(aroE)，3脱氢奎尼酸脱水酶基因(aroD)和优化后的3脱氢奎尼酸合酶基因(aroBop)，有效的提升酪醇生产效率，红景天苷最高产量达56.9 mg・L-1，为红景天苷合成提供了一个操作简单，经济效益高的，可用于大规模生产的方法。另外，该研究同时还表明从红景天中提取的糖基转移酶UGT73B6通过将葡萄糖添加到酪醇的酚醛位置来催化淫羊藿次苷D2的形成，这是关于淫羊藿苷的产物生物合成的报道。

　　二、中药合成生物学策略

　　合成生物学是一门在基因工程、代谢工程等经典学科上发展起来的整合学科，是一门将生物学工程化的学科，其目的在于将复杂的自然生物代谢系统改造为由简单的可控的模块或零件，经计算机辅助设计对其进行模拟预测，从而构建出由天然或非天然的功能元件或模块组成的生物系统，实现生物系统在各领域的模块化应用。其基本思路是：首先，根据目标产物选择合适的底盘细胞，之后将设计好的目标产物合成途径在底盘细胞中进行重建，对所创建的合成途径进行模块式优化，并根据目标产物的产量调整优化策略，以达到合成途径和底盘生物的最优化适配，最终实现目标产物的大量合成。

　　2.1 中药功效成分合成路径的创建

　　目前，中药功效成分的合成途径构建可以分为2种模式，第一种模式是在充分了解目标天然代谢产物代谢途径的基础上，根据研究目的，将目的产物所在基原物种的生物合成途径转移到微生物中，利用底盘细胞中原有的或者重新构建的代谢途径大量生产目标产物;另一种模式是根据目标产物或其合成过程中的中间体的化学结构，利用已挖掘基因元件的功能，实现对目标产物的合成甚至生产自然界中不存在的化学物质。

　　2.1.1 原代谢途径的直接转移 对原代谢途径的直接转移，重构和工程化这种模式对新代谢途径的构建可分为3种方式[44]。

　　第一种方式是将来源不同的与目标产物合成有关的基因整合到底盘细胞中，利用底盘生物的主要和次要代谢所提供的前体物质，然后通过异源基因的表达将其转化为目标产物。这种基于基因工程基础上的构建方式是目前最为简单的构建方式，被广泛的应用到了不同的底盘细胞中去，但它的目的主要是对所设计的代谢途径在不同底盘细胞中重构的可行性进行检验。

　　第二种代谢方式也是基于底盘细胞固有的中间体供应机制，在第一种方式的基础上，还导入了中药功效成分生物合成模块和底物调控模块，通过调节底物合成量来达到提高目标产物的合成量。如Dai等[2829]在构建产原人参二醇的工程菌株时，除了导入PgDDS，CYP716A47以及AtCPR1基因外，同时通过对相关基因tHMG1，ERG20，ERG9，ERG1等进行了系统调控，原人参二醇的产量1.2 g・L-1，较原始出发菌株产量提高了262倍;Donald等[12]将截短了的HMGR1基因(tHMGR)导入酿酒酵母中，增加了HMGR1的表达量从而使青蒿素的前体物质角鲨烯的合成量大大提高。

　　第三种方式是在前2种方式基础上，同时导入底物合成模块、底物调控模块以及中药功效成分生物合成模块，这种方式可以不依赖于底盘细胞的底物供应，既可以在无底物供应的情况下完成目标产物或其前体物质的合成外，还可以同时利用底盘细胞供应的前体以及新引入的底物供应途径提供的底物进行目标产物及其中间体的合成。最经典的是Keasling实验小组在构建的产紫穗槐4，11二烯的大肠杆菌中，将来自于酿酒酵母的甲羟戊酸合成模块(底物调控模块)、FPP 合成模块(底物合成模块)以及紫穗槐4，11二烯合成模块(中药功效成分生物合成模块)这3个模块同时导入底盘菌株中，成功构建了产青蒿素前体物质紫穗槐4，11二烯的工程菌株，后经优化操作，紫穗槐4，11二烯产量达27.4 g・L-1[10]。Ajikumar等[25]将紫杉醇生物合成途径分为2个模块，即：产IPP的内源性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。将下游模块导入底盘细胞中并过表达上游模块，经最后优化后，紫杉醇二烯合成量最高达1.02 g・L-1。