A Pull-Block Metabolic Engineering Strategy for High-Yield and High-Purity Hyoscyamine Production in Atropa belladonna.
Biotechnol J · 2026 · 21:e70187 · PMID 41645580 · 등급6 세포·모델 모델링연구 · 농업과 정책 > GM 작물 · 제형(GBH)
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히오시아민은 주로 약용 식물인 아트로파 벨라도나(Atropa belladonna)에서 추출되는 활성 트로판 알칼로이드로, 진통 및 진정 효과를 나타내며 의약품 제제에서 전구체로 널리 사용된다. 그러나 야생형 A. belladonna 식물에서 히오시아민의 낮은 수율과 트로판 알칼로이드의 복잡한 조성은 산업적 생산에 상당한 어려움을 제기하므로, 히오시아민 수율 및 순도를 향상시키기 위해 대사 경로를 변형하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 AbPYKS, AbCYP82M3, AbUGT1, AbLS, 및 AbHDH 유전자를 공동 과발현시켜 히오시아민 생합성을 증진시키고, AbH6H 유전자 결실을 통해 히오시아민의 대사 분기를 차단하는 풀-블록(pull-block) 대사 공학 전략을 적용하였다. 이 과정에서 글리포세이트 저항성 유전자 G2-EPSPS를 A. belladonna에 도입하였다. 최종적으로, 글리포세이트 저항성을 갖도록 개량된 식물체를 얻었으며, 이는 야생형 대비 히오시아민 수율(잎 기준 6.511 vs. 0.989 mg/g DW)과 순도(아니소다민 및 스코폴라민 부재)가 유의하게 향상된 것을 보여주었다. 이러한 결과는 A. belladonna의 유전자원 자원을 풍부하게 할 뿐만 아니라 히오시아민 기반 의약품 생산 발전에 대한 가능성을 제시한다. 다음으로, 본 연구에서는 히오시아민 생산과 생장/발달 측면에서 이 개량 식물체들을 현장 조건 하에 평가할 것이다.ORIGINAL ABSTRACT
Hyoscyamine, an active tropane alkaloid primarily extracted from the medicinal plant Atropa belladonna, exhibits analgesic and sedative effects and is widely used as a precursor in pharmaceutical formulations. However, the low yield of hyoscyamine and the complex composition of tropane alkaloids in wild-type A. belladonna plants pose significant challenges for industrial production, making it imperative to modify the metabolic pathway to enhance hyoscyamine yield and purity. In this study, a pull-block metabolic engineering strategy, which enhanced hyoscyamine biosynthesis by co-overexpressing AbPYKS, AbCYP82M3, AbUGT1, AbLS, and AbHDH genes and blocked the metabolic diversion of hyoscyamine by deleting the AbH6H gene, was employed. During this process, the glyphosate resistance gene G2-EPSPS was introduced into A. belladonna. Ultimately, the engineered plants with glyphosate resistance were obtained, which showed significantly enhanced hyoscyamine yield (6.511 vs. 0.989 mg/g DW in leaves) and purity (the absence of anisodamine and scopolamine) relative to the wild-type. These results not only enrich the germplasm resources of A. belladonna but also hold promise for advancing the production of the hyoscyamine-based pharmaceuticals. Next, we will evaluate these engineered plants under field conditions for both hyoscyamine production and growth/development.| 저자 | Zeng, L.; Chen, H.; Wen, M.; Liao, S.; Yang, C.; Zeng, J.; Chen, M.; Liao, Z.; Tong, S. |
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| 저널 | Biotechnology journal |
| 권·호·쪽 | 21(2), e70187 |
| PMID | 41645580 |
| DOI | 10.1002/biot.70187 |
| MeSH | Metabolic Engineering; Hyoscyamine; Atropa belladonna; Plants, Genetically Modified; Glyphosate; Glycine; Plant Proteins |