2023年11月23日，实验室魏勇军副教授与南中医合作的美迪紫檀素酵母合成研究成果发表于Synthetic and Systems Biotechnology（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405805X2300090X）。南京中医药大学博士研究生路楚洁、郑州大学已毕业硕士研究生杜瑞为共同一作；南京中医药大学林炜教授、赵明教授，郑州大学魏勇军副教授为共同通讯作者。

这项研究通过多组学和生物信息学分析，鉴定并表征了美迪紫檀素生物合成途径的关键酶基因。应用合成生物学策略构建工程酵母，实现了美迪紫檀素的异源合成，为其经济、绿色可持续生产奠定了技术基础，也为其他高价值中草药活性分子的绿色生物制造提供了一定的参考。

美迪紫檀素(Medicarpin)是一种存在于光果甘草和槐树等豆科植物中的紫檀碱类化合物，具有抗肿瘤、抗骨质疏松、抗菌等多重药理活性。目前，该化合物主要依赖植物提取，因活性成分占比低以及植物种植面积受限等因素，现有美迪紫檀素获取方式无法满足市场需求。美迪紫檀素化学合成步骤多、得率低，生产成本高。本研究通过筛选美迪紫檀素合成关键酶，对相关酶基因进行进一步优化，从而实现美迪紫檀素在酿酒酵母中以甘草素为底物的异源合成。

该研究通过对光果甘草和乌拉尔甘草根系的转录组进行测序及其全面注释，最终筛选出8个参与美迪紫檀素生物合成的关键酶基因。经分析鉴定后，这些候选酶基因分别被注释为2-羟基异黄酮合成酶(2-HIS)、细胞色素P450还原酶(CPR)、异黄酮-4′-O-甲基转移酶(I4′OMT)、2-羟基异黄酮脱水酶(HID)、异黄酮-2′-羟化酶(I2′H)、异黄酮还原酶(IFR)、雌激素还原酶(VR)和紫檀碱合成酶(PTS)。

将8个候选酶基因在野生型酿酒酵母中进行体外酶活性测定。首先，导入2-HIS、CPR、HID基因后的DWY1菌株能够将甘草素(Liquiritigenin)催化为黄豆苷元(Daidzein)；继续导入I4′OMT基因后，可以甘草素为底物合成芒柄花黄素(Formononetin)；以芒柄花黄素为底物在酵母中导入I2'H、CPR、IFR、VR和PTS基因后，能够产生Vestitone和美迪紫檀素等关键产物。因此，若使以上关键酶基因在工程化酿酒酵母中表达可能会实现以甘草素为底物合成美迪紫檀素。

该研究以甘草素为底物在工程酿酒酵母中导入2-HIS、CPR、I4′OMT、HID基因，得到能够合成芒柄花黄素的DW09菌株；同时以芒柄花黄素为底物导入I2'H、CPR、IFR、VR、PTS基因，得到能够生成美迪紫檀素的DW08菌株，测得其美迪紫檀素滴度为9.21 ± 1.97 mg/L；将8个关键酶基因均导入以甘草素为底物的工程化酿酒酵母中得到DW10菌株，美迪紫檀素滴度为0.82 ± 0.18 mg/L。经检测，DW10菌株中Vestitone滴度远高于美迪紫檀素，推测VR与PTS的单拷贝可能不足以提供大量美迪紫檀素合成。在DW10菌株中增加VR和PTS拷贝数后得到DW11菌株，美迪紫檀素滴度增加到2.05 ± 0.71 mg/L。将DW11菌株以芒柄花黄素为底物摇瓶发酵120 h，美迪紫檀素最终滴度为4.27 ± 0.08 mg/L；以甘草素为底物时，美迪紫檀素最终滴度为3.77 ± 0.25 mg/L。

本研究将组学技术与合成生物学策略相结合，实现了在工程化酿酒酵母中以甘草素为底物合成美迪紫檀素，并对关键酶基因进行多拷贝优化，最终将美迪紫檀素滴度增加到3.77 ± 0.25 mg/L。目前，已有研究在酿酒酵母以及解脂耶氏酵母中从头合成甘草素；本研究中所挖掘到的美迪紫檀素合成关键酶基因，为未来以葡萄糖为底物在工程化酿酒酵母中从头合成美迪紫檀素奠定了基础。