人参皂苷Rh2是药用植物人参中的关键活性组分，具有良好的抗癌、抗氧化活性，在治疗肿瘤、心脑血管疾病等方面具有重要的应用潜力。然而由于人参栽培周期长（5-6年）以及Rh2含量低（0.001%），很难实现规模化生产。应用合成生物学理念，在酵母中构建人参皂苷Rh2的高效合成体系一直是研究热点之一。其中，如何有效发掘、设计和优化关键催化元件-糖基转移酶，以提高人工合成途径适配性等是亟需解决的关键科学问题。
该研究小组巧妙地利用酵母中具有“底物相似性”的甾醇类糖基转移酶UGT51，通过解析其晶体结构，预测对底物结合及催化具有影响的热点区域；采用半理性分子设计（丙氨酸扫描结合热点分区迭代饱和突变）策略，通过双酶耦合显色的高通量筛选平台，获得了比野生型催化效率（kcat/Km）提高30-1800倍的系列突变体；将最优突变体基因引入到人参皂苷Rh2前体生产菌中，所获工程菌的Rh2合成产量比含野生型基因的提高122倍，显示出蛋白质工程技术在消除代谢通路中关键瓶颈方面的突出优势；进一步通过系统代谢工程进行消除产物Rh2降解、提高糖基供体及受体合成等调控，最终工程菌在5-L发酵罐中产量达300mg/L，为目前国际上报道的最高水平。
该研究丰富了植物源天然产物的合成生物学理论和实践，为人工合成途径从异源基因的简单复制（Copy）和转移（Transfer），到精细调控（Fine tuning）和定向适配（Directed adaptation）提供了新思路。
中科院天津工业生物技术研究所张学礼课题组合作完成了该课题。
