合成生物学（工程生物学）是生命科学领域的一门新兴交叉科学，被认为是理解生命的新钥匙（造物致知）和未来的颠覆性技术之一（造物致用）。

为进一步加强国内外合成生物学领域的交流合作，提高我国在合成生物学领域的国际地位，推动国内生物产业蓬勃发展， 2023 年 4 月 27-28 日第四届工程生物创新大会、第二届中国合成生物学学术年会、首届亚洲合成生物创新大会将在深圳光明科学城启幕，为推动中国与亚洲合成生物科学与产业发展提供交流平台，为加速深圳合成生物产业发展集聚贡献力量。

以下是云南师范大学教授尚轶在第四届工程生物创新大会上的精彩致辞，由云现场整理。

谢谢林老师的邀请，也谢谢主持人的介绍。非常荣幸有机会来介绍我们课题组最近做的一些工作，刚才袁老师的报告也说了，酶这块的工作进展不大，但对于合成生物学又特别重要，我们最近注意到这个问题之后，做了一点点尝试。

植物里面含有丰富的次生代谢产物，不仅对人类的营养、健康非常重要，同时，它可以影响到作物的品质。实际上我之前一直是做作物品种育种研究的，合成生物学对我来说，实际上是半路出家。我之前做的第一个项目就是黄瓜苦味的项目，葫芦素是一个三萜化合物，植物是用来抗虫的，但如果它积累到果实里，会影响到果实的品种。同时，在甜瓜和西瓜里存在不同种类的葫芦素，它们的结构非常像，但存在着不同的药用价值。

前期我们通过多种组学技术和突变体，找到了两个非常关键的开关基因，一个是在叶片里可以表达激活，它可以同时激活这些基因，叶片就可以从不苦变成苦。果实里面也存在这样的开关基因，也可以激活果实里的苦味合成。这个知识有什么用？可以提出一个兼顾品质和抗性的分子设计育种方案。野生黄瓜的果实非常苦，通过驯化，可以把它变成不苦的。但这个驯化过程并不充分，当碰到逆境条件下，它又会变苦。欧洲的科学家阻断了果实里变苦的物质，我们提出了兼顾品质和抗性的育种方案，比欧洲育种家做的方案更好。

有了黄瓜里的知识，我们同时也解析了甜瓜和西瓜里的代谢通路，把葫芦素B和葫芦素E代谢通路做出来，找到了关键形成它们差路的P450基因，在黄瓜里丢失了，还有一个基因，在甜瓜和西瓜里丢掉了，这就是它们结构出现差异的非常关键的两个P450基因，现在还有一步的反应还不清楚。目前我们发现了3个三萜环化酶、14个P450和3个乙酰基转移酶。我们对葫芦素结构修饰，发现糖基转移酶可以降低毒性。

最新的结构，我们解析了葫芦素的转运，它在甜瓜里，可以排到土壤里，改变它的土壤微生物结构。在黄瓜里，可以把葫芦素储藏在液泡里，因为葫芦素是有一定毒性的。

在做以上这些工作的过程中，我们注意到了合成生物学这门新的学科，尤其是这两篇文章，我们觉得它非常震撼。这里面要做合成生物学，包括途径解析，最好也要知道它是怎么调控、怎么转运的。还有一个问题，我们从植物里面发现的酶，它在微生物里做合成的时候，存在适配问题，所以我们从合成生物学的底盘菌开始做起，是用酿酒酵母做的。这是非常简单的工作，添加5碳底物，增加两个基酶，创造了一个新的短途径的合成萜类化合物的前体，这个前体就可以用来做底盘菌。

另一个工作，角鲨烯可以达到20以上，我们在过氧化酶里构建正交体系，还有两个酶代替上游的ERG10和ERG13。在此基础上，我们一进一步利用了解脂酵母里含有丰富的脂肪，在这个薄膜里有大量的TAG，通过降解TAG，提供大量的乙酰辅酶A。因为前期消耗了大量的TAG，需要补充TAG，所以我们前期加强了线粒体里柠檬酸外排的作用，角鲨烯可以达到30克/升。还有一个创新，用醋酸合成乙酰辅酶A，因为它的结构相对来说更简单。同时，我们可以用过氧化物酶，快速拿到一些辅酶A。但它有一个问题，从醋酸来培养酵母的话，它的生长会很缓慢，所以我们又开发了co-feeding体系，跟葡萄糖共培养。这个体系方案，最后的角鲨烯也能达到31克/升。

接下来介绍一下我们植物酶的改良策略，主要是基础于蛋白设计软件，以及海量进化的信息。当时做的时候，AlphaFold还没有出来，现在我们已经把它加到我们最新的策略里了。最开始我们做这个策略的时候，首先我们选了非常简单的三萜环化酶进行改造，这里面有两个环化酶，通过理性结构预测，我们发现它的活性中心，实际上就是两个氨基酸不一样，进行改造，可以实现它的功能不一样。同时，我们也试了一下氨基酸共进化信息对酶改造到底靠不靠谱？发现确确实实，氨基酸共进化信息，对于我们做酶改造非常重要。

另外，我们开始做植物P450酶的理性设计。我们选了一个体系，我们之前做了葫芦素和罗汉果苷，因为它们的结构非常相似。

这个是罗汉果醇的形成。上面是我们做的P450的酶，同样也有一个修饰，但这个地方是糖基，我们想把它进行改造，只形成羟基就行了，上面形成新的底物，由此就可以产生新的途径，这就是我们这个项目的初衷。

最终我们对P450进行了三轮改造，就是为了拿到这个化合物，三轮总共有96个突变，就实现了。我们把氨基酸共进化和 RoseTTA信息都放到了论文里，我们还注意到，其中有一个酶的表达量特别低，但催化效率又特别好，没有杂物，所以我们又对这个蛋白表面的氨基酸做了优化的过程。做了四轮，17个突变，就实现了改造，它的效果还是非常好的。一个是野生型，旁边的就是我们突变的P450的情况。

我们也提出了植物P450酶理性设计的改造目标，大部分都实现了，还有两个部分没有实现，一个是高通量的筛选，另一个是机器学习。我们用这套体系做了几个工作，其中一个是提高胡萝卜素的产量，原来有底物抑制的情况，我们这套方法设置了50个突变，其中一个突变就可以大量bata抗体，它的突变影响了酶的结构。另一个工作，在解脂酵母里有大量的东西，但它的底物是16个碳的底物，但是在酵母里它是碳18，所以我们对于酶的空间进行了优化，优化之后，它就可以接受碳18分子。同时再加上工艺的优化，现在它可以产生大量的烷烃。

还有一个工作，刚才袁老师也提到了，就是我们做的紫杉醇合成生物学，这里面几步都可以改造，第一步是环化酶，第二步是P450的羟基酶，还有一个TAT，我今天要介绍的就是TAT这部分的工作。我们开发了一个高通量的筛选，用GFP做指示，设置了180个突变，做完之后的数据，我们给机器学习去进行学习，同时做理合，我们尝试把高通量解析跟蛋白稳定性的提高融合起来。

以上介绍的，都是我们做植物天然产物这块的应用，其实酶改造也可以用在育种里。我们做了“Potato2.0”。这是我们现在在云南开展的工作，把马铃薯由快进繁殖变成种子繁殖，也有评论说“这是真正改变游戏规则的”。要把它变成种子繁殖，第一件事情就要做自交系，马铃薯是自交不亲和的，我们前期克隆了一个非常重要的基因，可以让它产生自交系，就像钥匙一样，当花粉往下延伸的时候，碰到了困难，需要一把锁把它打开，这个基因就像一把锁一样。刚好我们看到了一篇综述，说这个可以做设计和育种，我们做了一些尝试。

这是我们用AlphaFold做的，我们做的SC复合体是非常完美的，通过泛素降解把它打开。

这个相当于锁，旁边的相当于钥匙，我们已经把它缩小到非常小的区域了。一个锁能打开，另一个锁不能打开，我们就可以互做结构模拟，对蛋白进行修饰，这就是我们想做的它的理性设计与“万能钥匙”，希望它可以打开更多的锁，就可以创造更多的自交性，因为做育种很重要的一点，就是要做它的遗传多样性。

最后一个例子是马铃薯的储藏蛋白。大家都知道，我们去年大豆的进口超过1亿吨，但马铃薯蛋白的营养，从关键的指标来看，比蛋白还高。美国的公司用了一个抑制剂，它可以促进胆囊收缩素的分泌，提高大家的饱腹感。马铃薯蛋白的主要成分，一个是Patatin，另一个是蛋白剂，我们挑选了其中Patatin做研究，其实对Patatin的研究非常少，我们对它的户作界面进行分析，确实是符合要求的。我们进一步对Patatin的营养成分和黏度进行设计，里面加的是半胱氨酸提高营养，黏度也是它非常重要的标准。它不能通过外围形成还原力，我们通过设计加上了半胱氨酸，可以看到它加上之后的黏度，可以包裹更多的淀粉。

最后，回到主题，今天讲合成生物学和经济，其实《经济学人》专门有一篇介绍合成生物学，我们觉得非常好，要把合成生物学跟过去的品质研究，包括今天好多老师介绍的研究，以及我们的食品研究，如何这些能结合起来的话，那真的是非常好的一个事情。

最后是致谢，葫芦素还有底盘菌的构建，主要是MIT的马永硕博士完成的，酶理性设计主要是深圳基因所团队，基因主要是我们云师大团队完成的。我们在做的过程中，得到了很多老师的支持，感谢。

欢迎大家有机会到昆明，谢谢！