合成生物学是 21 世纪新兴的一门学科，结合了传统的代谢工程和系统生物学概念，旨在建立人工生物系统，将基因连接成网络，使微生物底盘细胞完成设计人员设想的各种任务，具体过程包括底盘细胞的构建、合成元件的挖掘、合成途径的设计以及细胞合成工厂的创建[1].微生物具有生长代谢速率高、培养条件封闭易控制、多种营养缺陷型选择标记便于基因编辑操作、可通过生化反应器放大规模等诸多特点，选择其作为底盘细胞具有独特的优势。目前通常采用质谱、LC-MS、GC-MS 及核磁共振技术，通过将合成产物与天然产物进行比较的方法，检测合成产物的质量。采用合成生物学技术生产目的产物具有稳定、高效、经济、环境友好等一系列优点，因此，该技术既被用来模拟已有生物元件及合成途径生产天然产物，也被用于生产制造各种化学品和燃料，甚至还被用于设计、合成新型非天然药物。
近年来，国家对生物制造业给予了大力支持，我国合成生物学的发展如火如荼。以中国科学院天津工业生物技术研究所马延和为首席的“人工合成细胞工厂”“973 项目”,围绕着大肠杆菌及光合蓝细菌进行了大量研究，通过光合模块和 CO2固定实现了从 CO2到酮、醇及酸等化学品的生物合成[2].北京化工大学袁其朋团队以大肠杆菌作为底盘细胞，经莽草酸途径合成了 3-苯基丙酸、3-（4-）羟基丙酸以及 4-羟基香豆素等多种芳香族化合物[3].以清华大学陈国强为首席的“973 项目”则以嗜盐单胞菌为对象，实现了聚羟基脂肪酸（polyhydroxyalkanoates,PHA） 等 高 分 子 材 料、 化 学 品 和 燃 料 的 生 物 制造[4,5].以中国科学院微生物研究所张立新为首席的“合成微生物体系的适配性研究”“973 项目”,则以大肠杆菌和链霉菌作为底盘细胞，生产微生物药物阿维菌素、聚酮类药物及核苷肽类药物等[6].上海交通大学许平团队则开展了大量关于天然食品添加剂的生物合成学研究，采用自养光合菌如假单胞菌合成多元醇类生物香料、利用蓝藻生产乳酸、通过聚球藻生产苯丙烷类等高值化合物，实现了多种天然生物香料和药用谷氨酰胺的产业化生产[7,8].中 国 科 学 院 院 士 邓 子 新 提 倡 挖 掘 基 因 组“Darkholes”,带领团队以深海、极地等极端环境微生物以及动植物共生生物为研究对象，克隆鉴定多种抗生素基因簇，开展关于非天然抗生素药物的合成生物学研究，获得了大量新型抗生素衍生物，显着推动了我国微生物药物生物合成领域的发展[9].随着合成生物学的不断发展和完善，该学科将为能源、材料、医药、食品、日化等行业提供更多的产品支撑。
1萜类化合物的合成生物学研究
1.1 萜类化合物的种类及其应用
萜类化合物是自然界广泛存在的一大类异戊二烯衍生物（isoprenoids），主要从植物、微生物及海洋生物中分离得到。萜类通式是（C5H8）n（n 是异戊二烯的单元数）。根据 n 的数目，萜类化合物可分为半萜（C5）、单萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、二倍半萜（C25）、三萜（C30）、四萜（C40）和多萜（n>C40）[10].目前发现的萜类超过 5 万多种，常见的有单萜薄荷醇（menthol）、倍半萜青蒿素（artemisin-in）、二萜紫杉醇（taxol）、三萜人参皂苷（ginsenosi-de）、四萜类胡萝卜素化合物（carotenoids）等。
萜类有着重要的生物学功能和应用价值，见表1.现代医学研究发现，很多萜类都具有广泛的抗癌功效[11].来源于真菌属月光菌的倍半萜隐杯伞素S（illudinS）及其类似物伊洛福芬（irufloven）能够有效抑制转移性肾癌中的 DNA 合成[12].红豆杉属植物中的三环二萜化合物紫杉醇对卵巢癌和乳腺癌有明显的疗效[13].葫芦科来源的三萜化合物葫芦素（cucurbitacin）能够抑制癌细胞的生长，可与其他抗癌药物一起用于癌症治疗。其中，葫芦素 E 具有抑制癌细胞增殖的功能，该结果已在膀胱癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌及白血病中得到证实[14,15].葫芦素B 除了被证实具有抑菌和消炎活性，还能够抑制人类恶性肿瘤细胞的生长，包括乳癌细胞、头颈部鳞癌、胰腺癌、肝癌、骨肉瘤和骨髓性白血病[16-18].截至目前，已有多种葫芦科植物来源的葫芦素及葫芦素衍生物被分离出来[19].
萜类还具有消炎、降糖等广泛的药理作用。研究发现，三萜皂苷类能够消炎、抗过敏、治疗白血病、抗病毒、降血糖以及防治心脑血管疾病等[20].2013 年，人参皂苷化合物 K（compoundK,CK）被我国药监局批准为防治关节炎的临床用药（CDEL20130379）。Yan 等[21]发现 CK 是三萜皂苷在哺乳动物血液和器官中发挥消炎、保肝、降糖及抗癌等功效的主要组分。来源于菊科植物（俗称青蒿）的倍半萜内酯衍生物青蒿素不仅能够抗癌、消炎，还被发现是一种非常强大的抗疟疾药物，且不与其他抗疟药产生交叉耐药性[22].四萜化合物番茄红素（lycopene）是类胡萝卜素的一种，存在于番茄、西瓜、葡萄柚等的果实中，是一种很强的食用抗氧化剂，能够有效抑制脂质的氧化，清除羟自由基。流行病学及临床医学实验发现，食用番茄红素不仅能够防治前列腺癌、乳腺癌、子宫癌、肺癌、膀胱癌、口腔癌、食道癌、胃癌、直肠癌及胰腺癌，还具有预防心脑血管疾病、延缓衰老等功效[23,24].
此外，很多植物源萜类化合物是芳香性挥发性物质，因此被广泛应用于香料、香水、调味剂及化妆品等行业[25].诺卡酮（nootkatone）、紫苏醇（sclareol）、薄荷醇（menthol）及芳樟醇（linalool）等芳香萜类是植物性精油的重要组成成分，也是果实芳香和植物花香等的气味来源，因此是芳香食品和精油类化妆品中常用的香料[26].
很多萜类是植物与昆虫协同进化过程中所产生的次生代谢产物，能够吸引传粉动物辅助植物授粉，抑或对昆虫有拒食作用，帮助植物抵御虫害和病原微生物，因此常被用于农药中[27].一些单萜如柠檬烯（limonene）和香叶烯（myrcene）均有很好的杀虫性，一些单萜烯类的衍生物如除虫菊酯（pyrethrin）则是非常高效的植物性杀虫剂[28].一些三萜如柠檬苦素类化合物（limonoids）也是很强的昆虫防御剂，被用作农作物的防虫害剂。其他三萜类化合物，如葫芦素 C、二萜水蓼二醛（polygodial）均参与了植物的抗虫功能[29,30].
