名貴中藥材西紅花來源於鳶尾科植物番紅花 （Crocus sativus） 的乾燥柱頭，具有活血化瘀、涼血解毒、解鬱安神的功效。由於番紅花栽培環境嚴格、人工成本極高，導致其資源匱乏、價格昂貴。西紅花被譽為「紅色黃金」，大約110,000-170,000朵盛開的番紅花僅收穫1 kg西紅花，其零售價高達2,000-7,000 €/kg。西紅花苷是西紅花的主要活性成分，西紅花苷還被當作香料和食品著色劑使用。西紅花苷屬於脫輔基類胡蘿蔔素類化合物，根據葡萄糖苷的數量和位置不同，分為西紅花苷I、II、III、IV、V。現代藥理學研究顯示，西紅花苷具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化、治療神經退行性疾病 （如阿爾茨海默症、帕金森病、抑鬱症） 等作用。
西紅花苷主要依賴於植物化學分離提取，但面臨提取工藝複雜、提純成本高、汙染嚴重等問題。西紅花苷III的化學合成已被報導，但其合成路線長、操作繁瑣、產率極低，無法滿足需求。因此，西紅花苷生物合成途徑及其合成生物學研究備受關注。
中國醫學科學院本草基因組協同創新團隊首席專家宋經元研究員課題組，通過構建大腸桿菌細胞工廠實現五種西紅花苷的生產。相關研究成果以In vivo production of five crocins in the engineered Escherichia coli為題於2020年3月27日在ACS Synthetic Biology雜誌在線發表，並被選為期刊的封面文章。
研究發現梔子來源的兩個糖基轉移酶 （GjUGT94E13和GjUGT74F8） 能夠在大腸桿菌中實現催化西紅花酸生成五種西紅花苷。結合過表達葡萄糖-6-磷酸變位酶pgm基因和UDP-葡萄糖焦磷酸化酶galU基因，加強大腸桿菌內源UDP-葡萄糖生物合成途徑，提高其內源UDP-葡萄糖含量，進而提高西紅花苷產量。工程菌條件優化實驗表明50 mM NaH2PO4-Na2HPO4 緩衝液 (pH 8.0) 加5%葡萄糖是西紅花酸糖基化效率最高的反應條件。通過GjUGT94E13和GjUGT74F8的催化，西紅花酸 (50 mg/L) 到五種西紅花苷的轉化率達到59.6％，遠高於已報導的微生物UGT的催化活性。
因此，該研究不僅表明植物來源的UGT可以實現五種西紅花苷的高效率生產，而且為五種西紅花苷的合成生物學研究提供重要參考，同時將推動西紅花苷藥物開發及臨床應用，為中藥資源可持續發展奠定基礎。
中國醫學科學院藥用植物研究所博士生浦香東為論文第一作者，徐志超副研究員和宋經元研究員為通訊作者。中國醫學科學院藥物研究所，重慶市藥物種植研究所的相關研究人員為共同作者。該研究得到國家自然科學基金、中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程等項目資助。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.0c00039
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