利用合成生物学，科学家现在可以在植物中生产肌酸、肌肽和牛磺酸等动物营养素，从而有可能实现食用作物的可持续生产。
研究人员在概念验证研究中使用合成模块，开发出一种新方法，直接在植物中生产肌酸、肌肽和牛磺酸等动物源营养物质。
这种创新方法不仅简化了生产过程，而且通过堆叠不同的模块显著提高了营养素的产量。该技术已经在烟草类植物中进行了测试，并显示出在食用植物中可持续生产这些必需营养素的潜力。
创新植物基动物营养生产虽然吃蔬菜很重要，但一些必需的维生素和营养素只能在动物体内找到，包括某些氨基酸和肽。但在10 月 2 日发表在美国化学学会《农业与食品化学杂志》上的一项概念验证研究中，研究人员开发了一种在植物内部生产肌酸、肌肽和牛磺酸（所有动物营养素和常见的锻炼补充剂）的方法。该系统允许将不同的合成模块轻松堆叠在一起以提高产量。
合成生物学的突破当被要求生产它们不习惯生产的化合物时，植物的接受能力出奇地强。利用一种特殊的细菌，科学家已经将各种氨基酸、肽、蛋白质或其他分子的DNA指令转移到不同植物的细胞中。例如，这项技术帮助培育出含有肽成分的生菜，以减少骨质流失。
然而，当涉及到更复杂的化合物时，转移的 DNA 指令可能会改变宿主的自然代谢，最终降低所需产品的产量。浙江大学博士生导师范鹏翔博士及其同事希望通过引入合成模块形式的指令来解决这个问题，这些模块不仅编码了预期产品，还编码了用于构建该产品的分子。他们希望增加三种所需营养素的产量：肌酸、肌肽和牛磺酸。
测试新的遗传模块研究团队在本氏烟（一种烟草类植物，用作合成生物学应用中的模型生物）中对可交换的合成模块进行了测试：
含有两个肌酸合成基因的肌酸模块可使每克植物材料中产生 2.3 微克的肽。肌肽的生产使用了肌肽模块和用于构建该肽的两种氨基酸之一 β-丙氨酸的另一个模块。虽然 β-丙氨酸天然存在于本氏烟草中，但其含量很少，因此将模块堆叠在一起可使肌肽产量增加 3.8 倍。令人惊讶的是，对于牛磺酸，双模块方法未能成功生成这种氨基酸。相反，新陈代谢受到了更严重的干扰，当植物试图让一切回到正轨时，牛磺酸的产量极少。未来应用的潜力总体而言，这项研究展示了一种有效的框架，可以在活植物系统中生产动物中常见的一些复杂营养物质。研究人员表示，未来的研究可能会将这种方法应用于可食用植物——包括水果或蔬菜，而不仅仅是叶子——或其他可以充当生物工厂以可持续方式生产这些营养物质的植物。
参考文献：Lina Jiang、Yifei Gao、Leiqin Han、Wenxuan Zhang、Xiaoyan Xu、Jia Chen、Shan Feng 和 Pengxiang Fan 撰写的“利用合成模块化方法合成动物源氨基酸衍生物的植物代谢工程”，2024 年 10 月 2 日，《农业与食品化学杂志》。DOI：10.1021/acs.jafc.4c05719
作者承认获得了浙江省国家自然科学基金和浙江大学上海高等研究院星夜科学基金的资助。
来源：美国化学学会
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