须得重视植物次生代谢中苯丙氨酸解氨酶（PAL）合成生物学方向的R&D

                  杨顺楷       四川     成都

从过去半个多世纪以来，植物的生物化学与分子生物研究已经取得了重大进展。作为传统静态生化研究上，称之为次生代谢途径上所涉及的分子水平（大分子，中分子及小分子）代谢产物或中间体的研究，更是硕果累累。自然，这一研究过程的基础，是天然产物有机化学家所奠定的，于是导致天然产物化学研究与开发（或发展）的重大进步；自然这就是称之为动态生物化学的研究过程，特别是自从DNA双螺旋结构学说发表以来，作为生命科学领域的分子细胞遗传学，取得了突破性的进展。1970年代以来，进入新世纪，以DNA的分子克隆与遗传工程，在生理活性物质胰岛素和人生长激素的突破，开创了现代称之谓“细胞工厂”生物制造（《合成生物学》）药物（或API）的先河。进入新世纪，这一发展势头更加迅猛，所谓“代谢工程”，“细胞工厂”，“生物制造”，“工业生物技术”，“生物化工”等科学-技术名词充斥于新旧媒体，以至于近年吸引资本市场的《合成生物学》R&D，甚至更大尺度上全球人类关注的“双碳”环境议题，即“碳达峰”-“碳中和”《合成生物学》科技创新有关系。

笔者本文此处介绍与我职业道路50年密切有关的苯丙氨酸解氨酶（PAL，EC 4.3.1.5） 及其工业生物技术应用研发进展。PAL是仅存在于植物和微生物（酵母，个别细菌）的酶类。在《植物的生物化学及分子生物学》（2000）的有关章节对PAL是如下表述的。PAL（酪氨酸酶，TALl) 苯丙素代谢的中心酶。在大多数维管束植物，苯丙氨酸（Phe）是高度优良的生化代谢底物，但是在单子叶植物，确实能够利用Phe和酪氨酸（Tyr）；PAL也能够在少数水生植物检测到PAL酶活性的存在，可能它的功能是代谢生成简单的黄酮类化合物，例如C- 葡萄糖酰-和毒蚕豆苷。在水生植物并不存在木质素，于是PAL（TAL）的酶促反应步骤，和多样化的苯丙素，及其苯丙素乙酸酯代谢途径产物成为了陆生植物定植的关键。

在所有植物次生代谢研究中，或许可以说PAL酶学是开展了最广泛的研究。在某些植物PAL是单基因编码，而在另外一些种类又是多基因家族的产物；PAL酶活性不需要辅因子，经由PAL反应引发出的铵离子，经由谷氨酰胺合酶和谷氨酸合酶催化而得以循环。早在上世纪80年代，依据植物苯丙素代谢中，Phe作为优良底物，经由PAL酶反应脱氨，生成反式肉桂酸，而该肉桂酸继续进行代谢反应，进入陆生植物的重要木质素循环。恰好在这一代谢节点，可以实现PAL酶反应的逆向合成反应，即利用肉桂酸和氨直接合成L-Phe；其时美一家公司在肯塔基建厂，实现工业生产L-Phe产品。有力推动了工业规模阿斯巴甜（APM）（L-天冬酰-苯丙胺酸甲酯）新产品的生产，L-Phe产品自那时的每年全球50吨水平，迅速提升到百千万吨级水平。

国内笔者首先在1985开展了这以技术途径的L-PheR&D。经由从本土滇西芒果园土壤样品中，分离筛选出高活力高稳定性的PAL红酵母CIBAS A-1401菌株，经过小试-中试-百吨级的中间试验，从1998-2005共计由国内3家企业生产出2000多吨L-Phe产品，有力推动了我国APM的产业发展。同时还借助化学-酶法的PAL合成实现了对20个芳基丙烯酸的立体氨化合成L-芳基丙氨酸的合成研究；并于998年秋在广西桂林的酶催化机制国际学术会议上参加了学术交流。

可见，开展如标题所示的“须得重视植物次生代谢中苯丙氨酸解氨酶（PAL）合成生物学方向的R&D”，正是如今我国新一代科学家开展创新研究与发展《合成生物学》的很好机遇。