生物合成青蒿素

中药青蒿中提取和分离到青蒿素(artemisinin)并成功解析其结构速效、低毒的特点,目前最有效的抗疟药物。首先,青蒿素主要是在青蒿叶片和花蕾表面特化的组织——分泌腺毛内合成并储存。野生青蒿植株中青蒿素含量很低.其次,青蒿素的提取环节复杂,导致最终能分离得到的有效产量比较低。此外,通过化学手段合成青蒿素更是存在合成工艺复杂、毒副作用大等诸多弊端。.随着对青蒿素生物合成途径研究的不断深入,利用各种手段来增加青蒿素产量或直接生产青蒿素及其前体的研究便不断涌现。手段包括以下几种:育种学手段;进行青蒿的细胞、组织、发根培养及培养条件的优化;对青蒿的遗传转化;利用各种异源生物作为反应器生产青蒿素及其前体。上述手段分为非转基因手段和转基因手段。非转基因手段使青蒿中青蒿素的含量得到了一定程度的提高。随着对青蒿素生物合成途径认识和研究的不断深入,通过将异源或是青蒿内源的与青蒿素生物合成相关的基因转入青蒿以提高青蒿素含量的策略也逐渐发展起来,并取得了较好的效果。利用RNAi手段对青蒿体内鲨烯合酶基因进行特异性沉默后,发现转基因青蒿中青蒿素含量为提高,此转基因青蒿为目前已知的所有能产生青蒿素的青蒿株系中含量之最。近年来,科研人员将目光转向以异源生物(包括植物和微生物)作为反应器来高效生产青蒿素。问题与展望尤其是利用异源生物平台已可以高效生产青蒿素的前体甚至是青蒿素本身,。然而,利用微生物平台真正高效而直接地生产青蒿素仍然未能实现。此外,对异源生物反应器可进一步优化。在异源生物(尤其是微生物)体内重新构建一条代谢通路所要考虑的因素很多,包括外源基因的正确有效表达、选择合适的表达载体和表达系统等.外源基因对寄主细胞的影响也不可忽视,包括过量表达外源基因对寄主的生长和繁殖是否有影响,是否会妨碍宿主正常的代谢机制,以及如何消除一些有毒害的中间化合物的影响等。生物合成应用1探索生命的奥秘设计了新的非天然氨基酸并扩展了遗传密码；；创造了xDNA和yDNA，从而改变了DNA双螺旋的结构和特点；2008年，通过长期从事细胞膜结构的研究，创造出能自行组装的人工模拟细胞膜结构；构建了原细胞（protocell）模型，并探索了这些地球最初的细胞如何与环境进行物质交换；多项合成生物学研究，包括合成最小细胞以及从头合成具有生物学功能的人造核糖体；为了研究改造后的基因组在新细胞中的特征及功能，对T7噬菌体的基因组进行了重新设计，并用其取代了野生型的基因组；在两种支原体间实现了基因组移植和取代，在此基础上，利用从头合成的基因组获得了人造支原体细胞。2制备清洁能源目前，全球都面临着资源短缺和环境污染的双重压力，应用合成生物学技术可以从可再生资源中制备清洁能源，从而减少对于化石燃料的依赖，减少有害物排放，进而缓解由石油资源触发的一系列政治和经济问题。应用合成生物学技术改造的“超级”酵母或细菌通过对生物质进行能量转化，可以将林业、农业及生活的废料、废水转化为新型的生物能源，并通过提高生物能转化的速度和效率向规模化应用发展。建立、健全以合成生物学技术为基础的可持续发展的生物工业体系，将是缓和能源、环保等领域所面临严峻形势的解决途径之一，并将创造新的经济增长点。2.1生物醇类替代能源利用酵母制备纤维素乙醇。而生物丁醇产物经过简单纯化甚至可以直接用于传统的汽油发动机，通过改造细菌研制生物丁醇。大肠杆菌更适用于工业化生产生物丁醇。2.2藻类替代能源通过合成生物学手段制造生物能源，是利用能够进行光合作用的藻类，并且藻类产生的生物石油的物理和化学性质与当前广泛应用的石油来源的燃料十分接近。2.3生物制氢氢是非常理想的燃料。生物制氢是合成生物学工业化应用的又一重要研究项目。采用改造的细菌和藻类实现生物制氢的方案正在研发中。目前最有前景的研究方案是采用合成的酶解通路，通过降解淀粉和水实现高效制氢.此方案不仅仅可以制备氢燃料，将糖类物质视为氢的载体还缓解了存储困难的问题。4.3环境治理学者们正在积极努力地改进和运用人造微生物的特殊能力，期望能更有效地发挥其功能，从而解决现在及未来可能出现的问题。例利用DNA传感器监测食物腐败情况及土壤的养分含量；采用人造微生物分泌的生物表面活性剂清除土壤和水体中的污染物，实现可控的生物修复。应用合成生物学改造的微生物将能够更有效地控制污染，并保护生态环境。此外，合成生物学技术也已经用于有毒化工产品的生物降解，包括处理工业生产中常用的冷却剂、溶剂、爆炸物以及石油、煤炭及焦油的燃烧残渣等。4.4合成生物学为公众健康服务4.4.1药物研发通过改造生命体的代谢通路来认识和控制生产药物的代谢过程，采用工程化细菌和细胞生产胰岛素、疫苗等临床药物。但其能够更高效地筛选新药，实现源头创新以及优化制备工艺、降低生产成本等优势正在逐渐显现。生物合成次级代谢产物是极具应用价值的研究之一，可以为药物研发提供丰富资源。重新设计了生产青蒿素的代谢途径并提高了产能，令抗疟药的研究成果广为人知.构建了体外多酶全合成途径，在两个小时内合成出天然抗生素-肠道菌素，大大减少了药物的生产环节并缩短了制备周期。此外，合成生物学技术还可用于构建药物筛选相关的分子及细胞模型。4.4.2疫苗研制合成生物学可提高疫苗研制能力的技术优势，在甲型流感疫苗的制备过程中能够得到突出体现：变异快是流感病毒的重要特点，因此流感疫苗也就具有很强的时效性。采用合成生物学技术可以在获得临床分离株的全部基因信息，而未获得实物病毒株的情况下，通过从头合成，快速得到完全一致的毒株，为疫苗研制提供样本、争取宝贵的时间，还有助于尽早开展对新流行株的传染性与致病性研究，为政府制定防治策略提供信息。此外，合成生物学技术为研制新型、多价疫苗，构建用于疫苗筛选或培养的细胞株等重要环节提供了新方法。4.4.3医疗卫生例如，针对肿瘤细胞的生长特点，设计出可以根据机体内局部环境的改变（例如低氧环境）触发药物释放或者终止功能的微生物，从而实现靶向杀伤肿瘤细胞。利用改造后具有酶解能力的噬菌体高效清除了生物膜上的细菌，可望用于医疗行业及工业生产的器械消毒及防治家畜疾病。展望未来，由人类设计的各种微生物或其他人工生命，将广泛应用于医疗、环境治疗，能源生产等领域，高效为人类服务。风险也与利益相伴，人们的期盼与担忧交织。围绕合成生物学带来的生物安全和生命伦理学等问题，已在科学界展开了十余年的热烈讨论，