合成生物學是 21 世紀新興的一門學科，結合了傳統的代謝工程和系統生物學概念，旨在建立人工生物系統，將基因連接成網絡，使微生物底盤細胞完成設計人員設想的各種任務，具體過程包括底盤細胞的構建、合成元件的挖掘、合成途徑的設計以及細胞合成工廠的創建[1].微生物具有生長代謝速率高、培養條件封閉易控制、多種營養缺陷型選擇標記便于基因編輯操作、可通過生化反應器放大規模等諸多特點，選擇其作為底盤細胞具有獨特的優勢。目前通常采用質譜、LC-MS、GC-MS 及核磁共振技術，通過將合成產物與天然產物進行比較的方法，檢測合成產物的質量。采用合成生物學技術生產目的產物具有穩定、高效、經濟、環境友好等一系列優點，因此，該技術既被用來模擬已有生物元件及合成途徑生產天然產物，也被用于生產制造各種化學品和燃料，甚至還被用于設計、合成新型非天然藥物。
近年來，國家對生物制造業給予了大力支持，我國合成生物學的發展如火如荼。以中國科學院天津工業生物技術研究所馬延和為首席的“人工合成細胞工廠”“973 項目”,圍繞著大腸桿菌及光合藍細菌進行了大量研究，通過光合模塊和 CO2固定實現了從 CO2到酮、醇及酸等化學品的生物合成[2].北京化工大學袁其朋團隊以大腸桿菌作為底盤細胞，經莽草酸途徑合成了 3-苯基丙酸、3-（4-）羥基丙酸以及 4-羥基香豆素等多種芳香族化合物[3].以清華大學陳國強為首席的“973 項目”則以嗜鹽單胞菌為對象，實現了聚羥基脂肪酸（polyhydroxyalkanoates,PHA） 等 高 分 子 材 料、 化 學 品 和 燃 料 的 生 物 制造[4,5].以中國科學院微生物研究所張立新為首席的“合成微生物體系的適配性研究”“973 項目”,則以大腸桿菌和鏈霉菌作為底盤細胞，生產微生物藥物阿維菌素、聚酮類藥物及核苷肽類藥物等[6].上海交通大學許平團隊則開展了大量關于天然食品添加劑的生物合成學研究，采用自養光合菌如假單胞菌合成多元醇類生物香料、利用藍藻生產乳酸、通過聚球藻生產苯丙烷類等高值化合物，實現了多種天然生物香料和藥用谷氨酰胺的產業化生產[7,8].中 國 科 學 院 院 士 鄧 子 新 提 倡 挖 掘 基 因 組“Darkholes”,帶領團隊以深海、極地等極端環境微生物以及動植物共生生物為研究對象，克隆鑒定多種抗生素基因簇，開展關于非天然抗生素藥物的合成生物學研究，獲得了大量新型抗生素衍生物，顯著推動了我國微生物藥物生物合成領域的發展[9].隨著合成生物學的不斷發展和完善，該學科將為能源、材料、醫藥、食品、日化等行業提供更多的產品支撐。
1萜類化合物的合成生物學研究
1.1 萜類化合物的種類及其應用
萜類化合物是自然界廣泛存在的一大類異戊二烯衍生物（isoprenoids），主要從植物、微生物及海洋生物中分離得到。萜類通式是（C5H8）n（n 是異戊二烯的單元數）。根據 n 的數目，萜類化合物可分為半萜（C5）、單萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、二倍半萜（C25）、三萜（C30）、四萜（C40）和多萜（n>C40）[10].目前發現的萜類超過 5 萬多種，常見的有單萜薄荷醇（menthol）、倍半萜青蒿素（artemisin-in）、二萜紫杉醇（taxol）、三萜人參皂苷（ginsenosi-de）、四萜類胡蘿卜素化合物（carotenoids）等。
萜類有著重要的生物學功能和應用價值，見表1.現代醫學研究發現，很多萜類都具有廣泛的抗癌功效[11].來源于真菌屬月光菌的倍半萜隱杯傘素S（illudinS）及其類似物伊洛福芬（irufloven）能夠有效抑制轉移性腎癌中的 DNA 合成[12].紅豆杉屬植物中的三環二萜化合物紫杉醇對卵巢癌和乳腺癌有明顯的療效[13].葫蘆科來源的三萜化合物葫蘆素（cucurbitacin）能夠抑制癌細胞的生長，可與其他抗癌藥物一起用于癌癥治療。其中，葫蘆素 E 具有抑制癌細胞增殖的功能，該結果已在膀胱癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌及白血病中得到證實[14,15].葫蘆素B 除了被證實具有抑菌和消炎活性，還能夠抑制人類惡性腫瘤細胞的生長，包括乳癌細胞、頭頸部鱗癌、胰腺癌、肝癌、骨肉瘤和骨髓性白血病[16-18].截至目前，已有多種葫蘆科植物來源的葫蘆素及葫蘆素衍生物被分離出來[19].
萜類還具有消炎、降糖等廣泛的藥理作用。研究發現，三萜皂苷類能夠消炎、抗過敏、治療白血病、抗病毒、降血糖以及防治心腦血管疾病等[20].2013 年，人參皂苷化合物 K（compoundK,CK）被我國藥監局批準為防治關節炎的臨床用藥（CDEL20130379）。Yan 等[21]發現 CK 是三萜皂苷在哺乳動物血液和器官中發揮消炎、保肝、降糖及抗癌等功效的主要組分。來源于菊科植物（俗稱青蒿）的倍半萜內酯衍生物青蒿素不僅能夠抗癌、消炎，還被發現是一種非常強大的抗瘧疾藥物，且不與其他抗瘧藥產生交叉耐藥性[22].四萜化合物番茄紅素（lycopene）是類胡蘿卜素的一種，存在于番茄、西瓜、葡萄柚等的果實中，是一種很強的食用抗氧化劑，能夠有效抑制脂質的氧化，清除羥自由基。流行病學及臨床醫學實驗發現，食用番茄紅素不僅能夠防治前列腺癌、乳腺癌、子宮癌、肺癌、膀胱癌、口腔癌、食道癌、胃癌、直腸癌及胰腺癌，還具有預防心腦血管疾病、延緩衰老等功效[23,24].
此外，很多植物源萜類化合物是芳香性揮發性物質，因此被廣泛應用于香料、香水、調味劑及化妝品等行業[25].諾卡酮（nootkatone）、紫蘇醇（sclareol）、薄荷醇（menthol）及芳樟醇（linalool）等芳香萜類是植物性精油的重要組成成分，也是果實芳香和植物花香等的氣味來源，因此是芳香食品和精油類化妝品中常用的香料[26].
很多萜類是植物與昆蟲協同進化過程中所產生的次生代謝產物，能夠吸引傳粉動物輔助植物授粉，抑或對昆蟲有拒食作用，幫助植物抵御蟲害和病原微生物，因此常被用于農藥中[27].一些單萜如檸檬烯（limonene）和香葉烯（myrcene）均有很好的殺蟲性，一些單萜烯類的衍生物如除蟲菊酯（pyrethrin）則是非常高效的植物性殺蟲劑[28].一些三萜如檸檬苦素類化合物（limonoids）也是很強的昆蟲防御劑，被用作農作物的防蟲害劑。其他三萜類化合物，如葫蘆素 C、二萜水蓼二醛（polygodial）均參與了植物的抗蟲功能[29,30].
