自2015年实现在酿酒酵母中完成吗啡的从头合成后，斯坦福大学美女科学家ChristinaD. Smolke研究组，实现了另外一种代表性生物碱咖啡因的微生物从头合成，该研究成果日前发表在metabolicEngineering杂志。
之前的研究已经对咖啡因生物碱的生物合成途径完成了鉴定，并且可以通过对工程大肠杆菌或酿酒酵母进行某些前体添加培养，可以实现咖啡因及其部分前体分子的转化，但一直未实现咖啡因相关生物碱的从头合成。主要的限制是走向嘌呤生物碱的代谢流量极低。
基于之前的研究基础，Smolke团队在酵母中心代谢的基础上，构建了一条黄嘌呤（xanthine,XT）到黄嘌呤核苷（xanthosine, XR）转化途径，该途径过表达XPT基因增强了黄嘌呤向黄嘌呤核苷的转化，组合表达PA0065基因和XMT基因，首先实现了咖啡因前体分子7-甲基黄嘌呤（7-mX）的从头合成，并通过优化基因表达方式，显著提高了7-mX的产量。
在此基础上，使用来自于小果咖啡（C. arabica）的CCS1酶，可对7-mX进行两步催化合成咖啡因，同时由于该酶兼具3-N和1-N的甲基转移酶活性，且底物范围较广，同时亦可发生茶碱分子的合成。通过不同甲基转移酶的组合优化以及代谢流重排，研究获得工程酵母经发酵最高可生产咖啡因270 μg/L, 茶碱61 μg/L, 3-甲基黄嘌呤3700 μg/L 。
