茉莉酸激素（茉莉素，Jasmonate, JA）是茉莉酸及其衍生物茉莉酸甲酯、茉莉酸异亮氨酸等的统称。这是植物体内一类非常重要的脂类生长调节物质，参与调控植物某些重要的生长发育过程以及对环境因子作出响应等等，包括叶片表皮毛的起始、花瓣生长、花青素的积累以及抗冻害反应等。

然而，现阶段，植物激素茉莉素在生产上还面临着化学合成难度大、植物提取得率低等挑战。凭借更环保、可更稳定灵活生产天然产物等优势，基于微生物细胞工厂合成茉莉素发展成为了一种更为理想的解决方案。
近日，江南大学生物工程学院陈坚院士和重点实验室刘龙教授发文点评了基于工程化酵母生成茉莉素的进展。这篇观点文章已发布在Nature Synthesis上。

论文中指出，生物合成植物源性天然产物具有多个难点，在这一过程中涉及到大量的细胞区室，酶在特定的亚细胞区室中发挥作用。比方说，虽然酵母在合成天然产物方面比原核微生物表现更好，已合成多种复杂天然产物，然而在其体内复制合成途径仍然具有挑战性，出现这一问题的关键在于酶的不相容性。

以茉莉素为例，其在植物中的合成过程较为复杂、通路长、酶促类型多样，还涉及到中间产物在不同细胞器间的转运。事实上，通过微生物细胞工厂合成茉莉素经历了漫长的发展。1962年，科学家们首次从素馨花中首次发现并分离茉莉酸甲酯。随后，经过近60年的研究，直到2012年科学家们才解析了茉莉素完整的合成途径、生物学功能和信号转导过程。

茉莉素在不同细胞器之间转运过程：磷脂酶先将 α-亚麻酸（α-LeA）从叶绿体膜上释放；α-LeA在叶绿体内，由多酶复合体催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；OPDA在过氧化物酶体中，经过3轮 β-氧化生成茉莉酸（JA）；JA在细胞质中被转化为下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸异亮氨酸（JA-Ile）等。

该领域最新的进展来自于罗小舟和Jay. D. Keasling教授课题组的研究成果。2023年11月，该团队首次实现了茉莉素在酿酒酵母的异源从头合成，他们在酿酒酵母中重构了茉莉素的生物合成途径，基于微生物细胞工厂高效和环保生产茉莉素。

在研究中，该团队优先选择了含有多种细胞器的酿酒酵母作为底盘细胞，并使用葡萄糖作为唯一碳源来合成茉莉酸及其衍生物。他们通过整合来自植物和真菌的15个异源基因并删除3个内源基因对酿酒酵母菌株进行了改造。

这种方法的关键是将酶反应分为三个亚细胞区室，分别为内质网、过氧化物酶体和细胞质。合成途径也相应分为四个模块，α-亚麻酸（α-LeA）、茉莉酸主要前体12-氧代-植物二烯酸（OPDA）、茉莉酸合成、以及茉莉酸衍生物合成。

▲图|在酵母中模块化生产茉莉酸盐（来源：Nature Synthesis）

需要说明的是，将代谢途径复制在酵母中时，为特定的代谢途径选择合适的亚细胞区室至关重要。亚细胞区室化不仅可以通过达到最佳反应条件促进酶促反应，而且还有助于防止串扰。

然后，在酵母内质网中合成 α-LeA，并基于改造自由脂肪酸的代谢通路将 α-LeA的产量提升到51.2mg/L，滴度增加了21倍；在酵母的细胞质中合成OPDA，在酵母的过氧化物酶体中合成茉莉酸，随后在酵母细胞质中合茉莉酸衍生物茉莉酸甲酯(MeJA)和茉莉酰异亮氨酸（JA-Ile）等。

论文中指出，后续的工作可能会涉及鉴定活性最佳的酶、组装完成的生物合成途径。未来，对茉莉酸合成途径的进一步分析可能会揭示 α-LeA的具体转化过程，进一步提高茉莉酸的产量。

“这项研究为茉莉素在农业等方面的规模化应用铺平道路，也为微生物细胞工厂的设计提供了框架，可以有效、规模化合成植物源性天然产物。”
参考资料：1.https://www.nature.com/articles/s44160-023-00450-z2.https://www.cas.cn/syky/202311/t20231117_4986011.shtml