[摘要] 结构复杂多样的天然产物是新药发现的重要源泉。通过天然产物合成生物学来实现天然产物的异源合成，被认为是解决复杂、稀缺天然产物来源问题最具前景的途径。DNA组装技术与基因组编辑技术是天然产物合成生物学研究的两大关键技术。前者可以将多个元件组装成超长DNA片段，实现代谢途径的重建，后者可以通过底盘基因组的改造，增加底盘与外源途径的适配性。该文综述了DNA组装技术与基因组编辑技术的最新研究进展，以期为天然产物合成生物学体系的构建和优化提供帮助。
[关键词] 天然产物； 合成生物学； DNA组装； 基因组编辑
Key technologies in synthetic biology of natural products
KUANG Xuejun1， ZOU Liqiu1， LI Ying1， SUN Chao1*， CHEN Shilin2*
（1.Institute of Medicinal Plant Development， China Academy of Medical Sciences and Peking Union
Medical College， Beijing 100193， China；
2. Institute of Chinese Materia Medica， China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China）
[Abstract] Natural products with complex and diverse structures are the major sources of new drugs. The biosynthesis of natural products is considered to be one of the best ways to solve the problems of complex and scarce natural products. DNA assembly technology and genome editing technology are two key technologies in the emerging interdisciplinary field of synthetic biology. A number of novel DNA assembly methods developed in the last few years have paved the way for the engineering of high molecular weight DNA molecules， including whole genomes， hence， it can realize the reconstruction of the metabolic pathways and speed up optimization process. A wide variety of new tools for microbial genome editing will be applied widely to modify the chassis genome to increase its adaptation with the exogenetic pathways. This article summarized the latest advance with respect to DNA assembly and genome editing， which aims to provide help for reconstruction and optimization of the synthetic biological systems of natural products.
[Key words] natural products； synthetic biology； DNA assembly； genome editing
doi：10.4268/cjcmm20162205
来源于植物、动物、微生物的天然产物往往天然含量低，组分复杂，提取分离难以得到单一的化合物，采用化学合成的方法也由于合成路线复杂，反应条件难以控制，合成率低，无法满足市场需求[12]。因此，采用合成生物学的方法将外源的代谢途径引入易于遗传改造的模式微生物中，实现复杂天然产物或其前体的高效生产是目前应用前景最广阔的一种方法[3]。
目前，运用天然产物合成生物学已经成功实现抗疟药青蒿素[4]、抗癌药紫杉醇[5]及长春碱[6]前体的生物合成。要实现外源途径在底盘系统中的重建并高效合成目标产物离不开2项关键技术：DNA组装技术和基因组编辑技术。前者有效地弥补了DNA化学合成长度的不足，可成功实现长达1 Mb大片段DNA的组装[7]，从而保障了含多个元件的外源合成途径的正确组装；后者可以对底盘细胞基因组进行改造，提高与外源途径的适配性，精确调控外源基因表达，减少中间产物对宿主的毒性，提高目标产物的产量[8]。
1 DNA组装技术
采用DNA从头合成技术产生的DNA片段长度大多为500～1 000 bp，当合成更长的DNA片段时则需要将DNA小片段按顺序组装起来，这就涉及DNA组装技术[910]。将基因元件组装为可复制的和表达的DNA分子对于代谢途径或基因环路的构建是非常关键的，DNA组装方法用于基因环路的设计和特征化不仅有助于细胞内及细胞间调控机制的理解，而且能加速途径优化进程；此外，DNA组装方法可以通过激活天然产物生物合成相关的隐藏或沉默的基因簇来发现新型天然产物[1112]。基于不同的机制，DNA组装技术可分为四大类：基于限制性内切酶的组装、基于寡核苷酸架桥的组装、基于同源重组的体外组装和基于同源重组的体内组装。