科创中国

β-榄香烯（β-elemene, C15H24）是从我国传统中药温郁金中提取的国家二类抗肿瘤药物，具有低毒、广谱和可破血脑屏障等优异特性，并对213种疾病存在高相关性潜在治疗效果。目前，临床使用的榄香烯均从植物中提取，由于其提取分离工艺极为复杂，且大多为β-，γ-，δ-榄香烯混合物，导致其价格昂贵，严重限制了榄香烯类抗癌药物的推广和应用。化学合成方法受原料来源、产品得率、污染排放等因素制约已逐渐被生物合成取代。然而，天然萜烯合酶因其催化效率低、产物专一性差等问题阻碍了其在工业中应用。针对以上情况，本项目从合成生物学改造与关键工艺优化两方面入手展开研究，利用人工智能、生物计算和酶生物催化等技术，获得了催化效率和专一性提高的吉玛烯A（β-榄香烯前体）合酶，并构建了具有自主知识产权的高产β-榄香烯的大肠杆菌工程菌株。随后，通过发酵控制优化，实现了目标产物β-榄香烯的高效合成，5 L发酵罐产量达到32.43 g/L，为目前全球报道微生物合成β-榄香烯的最高产量。

针对萜烯合酶资源缺乏、天然萜烯合酶催化效率低/产物专一性差等问题，开展以下研究：（1）通过数据库搜索、序列比对、分子模拟等寻找潜在的萜烯合酶基因，合成候选基因，构建代谢通路，并进行发酵验证；（2）通过生物计算、分子对接、关键氨基酸位点预测与改造、菌株构建与发酵验证，获得催化效率和产物专一性提高的萜烯合酶，并通过代谢网络调控、细胞工厂性能提升等手段，进一步获得高产菌株。（3）优化发酵控制，开发发酵分离耦合及产品分离纯化等关键技术。目前已获得β-榄香烯高产菌株，完成小试水平生产验证，产量达到32.43 g/L。

本项目实施后可实现微生物发酵合成β-榄香烯的工业化生产，显著降低β-榄香烯类药物的生产成本，降低能耗和三废污染；拓宽β-榄香烯类药物的应用范围，提高其普及率和市场占有率，为国民健康提供可靠保障；可为医药企业带来发展机遇，提高我省在相关领域的竞争力；以本项目为带动，引领相关产业技术升级革新，增加企业利润，促进地方经济发展。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称“青岛能源所”） 是由中国科学院、山东省人民政府、青岛市人民政府于 2006 年 7 月 启动筹建，2009 年 11 月 30 日通过共建三方验收并纳入中国科学院 “知识创新工程”管理序列的国立科研机构。2019 年 6 月 17 日，山东 省、中科院、青岛市三方签署协议以青岛能源所为依托单位，共同筹 建山东能源研究院，支撑国家能源创新体系建设，提升山东省能源科 技创新能力，服务能源产业新旧动能转换和高质量发展。依托青岛能 源所、山东能源研究院建设的青岛新能源山东省实验室在 2020 年 12 月 17 日挂牌筹建。形成了青岛能源所、山东能源研究院、青岛新能 源山东省实验室“三位一体”的发展格局。

本项目以廉价的可再生糖为原料，优选大肠杆菌为宿主合成β-榄香烯，在5 L发酵罐发酵产量达到32.43 g/L，为目前全球报道微生物合成β-榄香烯的最高产量。

本研究组已申请相关专利1件（202310188576.4）。

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