人參和三七這些傳統(tǒng)中藥材里藏著一種神奇的成分——稀有人參皂苷。它被譽(yù)為“植物黃金”，具有增強(qiáng)免疫力、抗疲勞、抗氧化等多種功效。稀有人參皂苷在植物中的含量極低，提取困難，導(dǎo)致它的價(jià)格昂貴，普通人很難用上。日前，天津大學(xué)藥學(xué)院梅坤榮課題組，國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家、天津大學(xué)藥學(xué)院高文遠(yuǎn)課題組在國(guó)際權(quán)威期刊《先進(jìn)科學(xué)》上發(fā)表重要成果，團(tuán)隊(duì)通過(guò)“理性設(shè)計(jì)”技術(shù)獲得了高效生產(chǎn)稀有人參皂苷的新元件。

人參皂苷分為兩類(lèi)：一類(lèi)是“原型人參皂苷”，它在植物中含量較高，但活性較低，人體難以吸收；另一類(lèi)是“稀有人參皂苷”，它是原型人參皂苷的代謝產(chǎn)物，活性更高，更容易被人體吸收利用。稀有人參皂苷的功效非常強(qiáng)大，已經(jīng)被證明具有抗腫瘤、抗炎和增強(qiáng)免疫力的作用。然而，稀有人參皂苷在植物中的含量極低，通常不到0.1%，而且提取過(guò)程復(fù)雜、成本高，還容易產(chǎn)生環(huán)境污染。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)使用了合成生物學(xué)技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)構(gòu)建微生物或植物細(xì)胞，讓它們像“工廠”一樣生產(chǎn)稀有人參皂苷。研究團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)基因編輯、細(xì)胞器工程等合成生物學(xué)策略，構(gòu)建了植物細(xì)胞工廠生產(chǎn)稀有人參皂苷。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)率，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步聚焦這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵元件 -- 一種叫做“糖基轉(zhuǎn)移酶”的蛋白質(zhì)，它能夠催化人參皂苷合成的最后幾步反應(yīng)，決定最終產(chǎn)物的種類(lèi)和含量。然而，現(xiàn)有的糖基轉(zhuǎn)移酶效率難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聚焦稀有人參皂苷生物合成的關(guān)鍵糖基轉(zhuǎn)移酶Pq3-O-UGT2，首次解析了它與底物結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種糖基轉(zhuǎn)移酶的底物結(jié)合口袋具有獨(dú)特的取向和顯著的疏水性，能夠識(shí)別多種底物，包括不同的人參皂苷和一些黃酮類(lèi)天然產(chǎn)物�；谶@些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該糖基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行了改造，成功構(gòu)建了突變體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改造后的酶更傾向于合成稀有人參皂苷，并且生產(chǎn)稀有人參皂苷的效率顯著提高，為未來(lái)的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

“我們這項(xiàng)研究的突破性意義在于為稀有人參皂苷的高效生產(chǎn)提供了新思路。”梅坤榮教授介紹，“未來(lái)，隨著合成生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，稀有人參皂苷的生產(chǎn)成本有望大幅降低，普通人也能便捷地用上這種‘植物黃金’”。