浙江大学范鹏祥团队构建一种在植物中合成动物源氨基酸衍生物的模块化方法

植物和动物在某些氨基酸衍生物的生物合成上存在显著差异。有些氨基酸衍生物是动物特有合成的，植物中自然不存在。这一差异为素食者带来了营养挑战，因为他们可能无法仅从植物饮食中获得足够的肌酸、肌肽和牛磺酸等必需物质。这些化合物摄入不足可能导致健康问题，包括肌肉无力、认知疲劳和激素失衡，可能加速衰老并导致各种健康问题。因此，素食者通常需要额外的营养补充剂，这些补充剂大多是合成药物，长期使用可能对身体造成负担。另外，缺乏这些动物特有氨基酸衍生物也是植物营养中的一个巨大缺口。

浙江大学范鹏祥研究员团队提出了一种合成模块化的方法来应对这一挑战。2024年10月2日美国化学学会旗下期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry发表了题为Engineering Plant Metabolism for Synthesizing Amino Acid Derivatives of Animal Origin Using a Synthetic Modular Approach的研究论文。该文章入选封面论文，并被美国化学学会网站选为研究亮点以“Turning plants into workout supplement bio-factories”为题进行新闻报道。

该研究在烟草（Nicotiana benthamiana）叶片中进行了旨在生产动物特有的氨基酸衍生物的概念验证性研究。采用模块化合成生物学的概念，首先建立了底物氨基酸合成模块，然后整合额外的衍生物合成模块将这些底物转化为所需的衍生物。这种量身定制的合成模块组装旨在最大化目标化合物的产量，同时最小化对植物宿主原有氨基酸代谢的干扰。通过这些模块的战略堆叠，探索了植物中肌酸、肌肽和牛磺酸的生物合成。

图1 用于生产有价值的氨基酸衍生化合物的合成模块设计和组合形式

图2 本氏烟草叶片中的肌酸合成模块将氨基酸引入肌酸的合成

通过设计和堆叠专门的合成模块，成功地将植物代谢流转向合成这些动物来源的氨基酸衍生物。首先，单独表达一个肌酸合成模块可使烟草叶片产生2.3 μg/g鲜重（FW）的肌酸。然后，与单独应用一个合成模块相比，集成两个合成模块显著提高了3.8倍的肌肽产量，并且将对植物氨基酸代谢的影响降至最低。出乎意料的是，引入牛磺酸合成模块引起了植物半胱氨酸生物合成的反馈样抑制，揭示了在植物中引入外源代谢途径时可能发生的复杂内源代谢调节。这项研究的结果强调了利用植物作为生物工厂可持续生产动物源性必需营养素的潜力。

图3 堆叠合成模块表达增强了本氏烟草叶片中肌肽的合成

图4 双模块堆叠后牛磺酸在本氏烟草叶片中的合成

植物中动物源性氨基酸衍生物的生物合成是植物合成生物学的一个突破，为提高植物性饮食的营养价值提供了一种可持续和环保的方法。因此，本研究除了得到美国化学学会网站的宣传外，还被国外多家知名媒体报道和转载，如New Scientist ， 美国科学促进会（AAA）EurekAlert！, PHYS.ORG， SciTechDaily等。

浙江大学蔬菜研究所博士后姜丽娜为本研究的第一作者，浙江大学“百人计划”研究员范鹏祥为通讯作者。本研究得到了浙江省自然科学基金和浙江大学上海高等研究院繁星科学基金的资助。

https://www.acs.org/pressroom/presspacs/2024/october/turning-plants-into-workout-supplement-bio-factories.html

https://www.newscientist.com/article/2450363-exercise-supplement-creatine-could-be-grown-in-edible-plants/

https://www.eurekalert.org/news-releases/1059490

https://phys.org/news/2024-10-synthetic-modules-boost-production-animal.html

https://scitechdaily.com/garden-of-gains-transforming-plants-into-workout-supplement-biofactories/