摘要：在传统中医药宝库中，淫羊藿素（Icaritin）具有卓越的药用价值。这种从濒危植物淫羊藿中提取的黄酮类化合物，具有抗肿瘤、促进骨生成等重大医疗价值。然而，传统提取法依赖濒危植物资源，化学合成步骤复杂且污染严重。如何突破资源与技术的双重枷锁？

在传统中医药宝库中，淫羊藿素（Icaritin）具有卓越的药用价值。这种从濒危植物淫羊藿中提取的黄酮类化合物，具有抗肿瘤、促进骨生成等重大医疗价值。然而，传统提取法依赖濒危植物资源，化学合成步骤复杂且污染严重。如何突破资源与技术的双重枷锁？

为破解此难题，天津大学李炳志、元英进等人在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上发表研究“Biotransformation of Kaempferol to Icaritin in Engineered Saccharomyces cerevisiae”。他们将酿酒酵母改造为“细胞工厂”，通过代谢工程与酶工程的协同创新，成功实现了从常见黄酮分子山奈酚（Kaempferol）到淫羊藿素的高效生物转化，最终产量达 14.4 mg/L。这项研究不仅为濒危药用植物的替代生产开辟新路径，更揭示了微生物合成天然产物的通用策略。

要让酵母这座“微型药厂”精准产出淫羊藿素，研究团队需攻克两道关键工序。首先在山奈酚的 8 号碳位点发生异戊烯基化生成 8-异戊烯基山奈酚（8-prenylkaempferol），再对其 4 号羟基进行甲基化修饰。异戊烯基转移酶（Prenyltransferase）的筛选成为首道难关。传统植物来源的 Es PT2 等酶在酵母中活性低下，通过基因组挖掘与系统发育分析，团队发现淫羊藿本源酶 Ep PT8 经过改造后也能在酵母中稳定工作。但酶的催化效率受限于细胞内异戊烯基供体 DMAPP 的匮乏。

研究团队为此设计了一套“双轨供料系统”：一方面强化酵母自身的甲羟戊酸（MVA）代谢途径，过表达 ERG13、ERG12 等关键酶，将 DMAPP 产量提升 3.6 倍；另一方面引入“异戊醇利用途径”（IUP），通过两步磷酸化反应将廉价异戊醇直接转化为 DMAPP，犹如为生产线开辟了一条高速辅路。双管齐下，8-异戊二烯山奈酚产量从初始的 3.0 mg/L 提升至 40.7 mg/L。更令人惊叹的是，通过截断 EERPT 酶的 N 端结构域，解除其天然定位信号，团队成功让这个原本定位于植物叶绿体的膜蛋白在酵母细胞质中表达，催化效率再提升 25%。这种方法不仅解决了异源表达中的定位错配问题，更为后续酶工程改造提供了范式。

图 | 异戊二烯转移酶的 N 端工程改造

当 8-异戊二烯山奈酚顺利合成，甲基化反应成为下一道关卡。这一步骤依赖辅因子 SAM（S-腺苷甲硫氨酸），但其代谢副产物 SAH 会抑制酶活性。研究团队为此过表达 SAH 水解酶，加速分解抑制剂，引入植物-酵母嵌合型甲基转移酶优化甲硫氨酸循环，使淫羊藿素滴度增加。然而，负责甲基化的关键酶 MpOMT4 却无法精准识别山奈酚和 8-异戊二烯山奈酚，导致部分原料被误甲基化为无用的山奈酚甲醚（Kaempferide）。

为破解这一难题，团队借助分子对接与动力学模拟，发现 MpOMT4 的 303 位缬氨酸侧链空间位阻阻碍了 8-异戊二烯山奈酚的精准定位。通过理性设计将其突变为体积更小的亮氨酸（V303L），底物结合口袋的几何形状发生微调，促使酶能精准识别目标产物。改造后的 MpOMT4 变体使淫羊藿素产量提升 50%。

通过多维度工程策略——酶分子改造、代谢流重编程、辅因子循环强化——团队在酵母中打通了山奈酚到淫羊藿素的完整路径，产量达 14.4 mg/L。这一成果不仅为淫羊藿素规模化生产铺平道路，更展示了合成生物学“模块化设计”的强大潜力：从植物中挖掘关键酶，在微生物中重构代谢网络，再通过理性设计优化瓶颈步骤，最终实现天然产物的“绿色智造”。

下一步，通过动态调控代谢流、开发高密度发酵工艺，或将进一步提升产量。而这项技术也有望拓展至其他黄酮类化合物，推动中医药现代化与国际化的进程。

参考链接：

1.Li N, Zhu SY, Zhang CX, Zhang LJ, Liu ZH, Yuan YJ, Li BZ. Biotransformation of Kaempferol to Icaritin in Engineered Saccharomyces cerevisiae. J Agric Food Chem. 2025 May 22. doi: 10.1021/acs.jafc.5c04016.

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来源：生辉SciPhi