黄酮类化合物(flavonoids) 是广泛分布于植物中的一大类次级代谢产物。目前已表征结构的黄酮类化合物超过10 000种[1], 其基本母体是由两个具有酚羟基的苯环(A环和B环) 通过3个碳原子相互连接而成的C6-C3-C6单元。其中, C3可为脂链, 也可与C6部分形成五元或六元氧杂环。根据C3部分是否成环及其氧化程度、取代方式等差异, 黄酮类化合物又可分为查尔酮类(chalcones, 1)、黄酮类(flavones, 2)、花青素类(anthocyanidins, 3)、二氢黄酮类(flavanones, 4)、黄酮醇类(flavonols, 5)、异黄酮类(isoflavones, 6) 等多个亚类[2] (图 1)。
Figure 1Figure 1Figure 1 The chemical structures of main sub-classes of flavonoids[2]黄酮类化合物具有多种生物学活性。作为植物次级代谢产物之一, 其在植物生长发育过程中具有重要作用, 研究发现: 豆科植物产生的异黄酮类化合物可诱导结瘤基因表达从而参与调节植物-根瘤菌共生过程[3]; 花青素作为天然色素, 可使花瓣及种皮呈现不同颜色, 从而吸引授粉昆虫以帮助植物授粉及传播种子等[4]。同时, 黄酮类化合物还具有显著的药理活性, 如二氢黄酮类化合物柚皮素(naringenin) 具有抗炎、抗癌活性[5]; 黄酮醇类化合物山柰酚(kaempferol) 具有抗焦虑、抗过敏[6]活性; 异黄酮类化合物染料木素(genistein) 对前列腺癌、乳腺癌等癌症的发生发展具有抑制作用[7]等。
近年来, 黄酮类化合物由于在医药、农业等领域的应用不断拓展, 市场需求不断扩大, 其可持续性生产制造问题引起了广泛关注。传统上, 黄酮类化合物主要通过植物提取法获得; 然而在植物中, 黄酮类化合物含量较低、分离困难、成本高, 且过度采伐对物种和生态环境可能造成不可逆的破坏[8]。另一方面, 黄酮类化合物也可通过化学全合成或半合成的方法进行生产制备, 但存在毒性试剂如硝酸铊的使用、反应条件难以控制等不足[9, 10], 成本高且环境不友好。因此, 尚需要寻找其他更优的生产途径以大量、稳定、绿色可持续地供应活性黄酮类化合物。
随着各种组学、生物信息学、分子生物学等相关领域基础理论及技术的发展, 药用天然产物生物合成和合成生物学领域的研究不断取得新突破, 为其获取提供了新模式[11]。通过在大肠杆菌(Escherichia coli) 或酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 等微生物细胞中异源重构生物合成途径来生产具有高附加值的目标化合物, 并通过优化基因元器件及其适配性、调节相关代谢通路等方法来提高其产量已成为可能。与传统的植物提取法和化学合成法相比, 这种经人工设计构建获得的可按照预设线路生成目标化合物的“细胞工厂(cell factory)”拥有成本低、耗时短、环境友好等优势, 已成为该领域的研究热点[12]; 同时, “造物致知, 造物致用”, 具有理论和应用价值。目前, 药用天然产物细胞工厂相关研究有诸多报道, 如: 经设计优化的产白藜芦醇(resveratrol) 大肠杆菌细胞工厂[13], 在外源添加对香豆酸时, 产量可达到2.3 g·L-1; 抗疟药物青蒿素(artemisinin) 的前体青蒿酸(artemisinic acid) 的酿酒酵母细胞工厂产量已达到25 g·L-1 [14]; 在人参皂苷类(ginsenosides) 化合物合成生物学研究方面, 以高产前体原人参二醇(protopanaxadiol, PPD) 的酿酒酵母作为底盘细胞, 经改造优化可得到产人参皂苷Rh2细胞工厂, 产量达到2.2 g·L-1 [15]。相比之下, 黄酮类化合物细胞工厂的最高产量仅达1.2 g·L-1 [16]。
由于黄酮类化合物种类繁多, 构建细胞工厂的方式方法也各有不同, 为了全面地了解黄酮类化合物细胞工厂的研究进展,