全球柑橘产业持续增长，产量与加工规模逐年增加。然而，柑橘产业结构性矛盾突出：一方面以初加工和罐头、果汁等产品为主，同质化严重；另一方面，年均超千万吨的生理落果和加工副产物综合利用率不足30%，果胶、类黄酮等高附加值成分开发利用水平偏低。传统提取存在原料消耗大，效率偏低，溶剂残留等问题；化学半合成则步骤繁琐且对环境影响大。合成生物学通过构建微生物细胞工厂，可实现目标成分的精准生物合成，具有原料可再生、过程清洁等优势，为传统柑橘资源综合利用向绿色化、高值化转型提供了新的技术路径。

1 柑橘工业的挑战

1）品种结构单一及加工专用原料不足

我国柑橘种植品种以鲜食为主，同质化现象明显，适合加工的专用品种占比低，且规模化原料基地建设不足。原料供需存在突出矛盾：鲜果集中上市常导致市场供过于求，果农增产不增收；而加工企业则面临适宜原料短缺，收购成本高企的困境，导致产能闲置，生产成本居高不下，整体盈利能力和抗风险能力偏弱。

2）传统资源综合利用亟需转型升级

柑橘资源（生理落果、皮渣）富含果胶、类黄酮等高价值组分，而传统提取方法存在综合利用率低，生产成本高，环境污染严重等问题。如以传统方法获取1 kg的川橙皮素，需消耗干制橘皮500 kg（折算鲜果高达10 t），且生产过程还要消耗大量的化学试剂和水电气等能源。合成生物制造通过工程化改造微生物细胞，实现目标化合物的高效、定向合成，具有原料可再生，过程低碳环保，产品附加值高等显著优势。这为从根本上变革柑橘资源的高值化利用模式提供了全新的思路与技术途径。

2 合成生物制造

1）微生物合成类黄酮的研究进展

类黄酮是一大类具有复杂化学结构和广泛生物活性的天然产物，其生物合成通常经由莽草酸途径与苯丙烷途径，并常伴随糖基化、甲基化等后续修饰。其中，黄烷酮是绝大多数黄酮类化合物的核心骨架，其高效合成是构建整个微生物工厂的基础。以柚皮素为例，Li等通过引入异源的磷酸酮糖途径、乙酰辅酶A细胞器穿梭系统，将更多的关键前体丙二酰辅酶A引流至目标产物的合成，使柚皮素产量提高至3420.6 mg/L。对黄烷酮进行一系列结构修饰，如羟基化、甲基化和糖基化，是生成黄酮醇、黄酮糖苷等多样化类黄酮的重要途径。Marsan等利用合成柚皮素的解脂耶氏酵母，通过共培养等方式实现159.0 mg/L芹菜素和119.4 mg/L异牡荆素的合成。Kang等通过优化UDP-葡萄糖合成途径，将黄岑苷的产量提高至1290.0 mg/L。其它，如甲基化修饰后的多甲氧基黄酮（PMFs）是广陈皮中关键的药用成分，具有抗炎、抗病毒、抗氧化等多种生理活性。Wen等通过对茶枝柑基因组进行解析，揭示了PMFs合成的潜在通路及调控网络，并首次鉴定出一种新型甲氧基转移酶基因CcOMT1。综上所述，当前微生物合成生物学已能够以黄烷酮为核心骨架，通过精细的途径设计、酶工程改造及代谢调控，高效构建出结构多样的类黄酮化合物，为这类高价值天然产物的绿色生物制造奠定了坚实基础。

 图 1  柑橘中常见类黄酮

2）柑橘类黄酮的研究进展

单杨院士团队自“十三五”以来，围绕类黄酮等功能性天然产物的微生物细胞工厂开展系统研究。团队揭示了酿酒酵母能量代谢调控机制，攻克了Crabtree效应等制约微生物高效合成的行业关键瓶颈。设计并构建大肠杆菌基因线路放大器，为多维信号调控难题提供了工程化解决思路。同时，构建了一系列高效合成类黄酮（如柚皮素、橙皮素及圣草次苷等）的工程菌株，国内首次实现圣草次苷、新橙皮苷等高活性类黄酮的生物合成（图2）。

图 2  柑橘类黄酮的研究进展

在基础研究方面，中心碳代谢作为细胞能量与还原力供给的核心网络，其重编程是实现高效天然产物合成的基础前提。在酿酒酵母中，Crabtree效应导致碳源在高糖条件下大量流向乙醇等副产物，显著降低了能量利用效率。针对这一问题，团队通过引入明串珠菌来源的蔗糖磷酸化酶，构建了新的蔗糖代谢途径，使蔗糖直接转化为果糖和葡萄糖-1-磷酸，从而绕过葡萄糖抑制效应并显著提升能量代谢效率，不仅有效消除了Crabtree效应，还实现了多种目标产物的高效合成（图3）。针对静态强启动子驱动的策略易引发代谢失衡并抑制细胞生长的问题，近年来动态代谢调控策略逐渐受到关注。该策略通常依托代谢物传感器及其调控的响应启动子，实现对关键限速步骤的按需激活，从而在不同生理阶段平衡菌体生长与产物合成。在此基础上，团队提出基于合成生物学“运算放大器（Operational amplifier，OA）”的动态调控框架，通过工程化σ/抗-σ因子对、核糖体结合位点优化以及开环与闭环控制回路的协同设计，实现对非正交生物信号的高精度分解与显著放大，并成功构建了无需外源诱导剂，可自主响应细胞生长阶段变化的动态调控系统，其信号放大倍数最高可达数百倍，为复杂代谢网络的精细化调控提供了通用工具（图4）。

图 3  Crabtree阳性与阴性菌株对比图

图 4  运算放大器动态调控框架

在类黄酮核心骨架构建方面，团队围绕类黄酮合成通路开展了系统的模块化设计与优化。通过构建木糖驱动的代谢重编程体系，显著提升了非氧化戊糖磷酸途径通量及E4P供给能力，实现了黄酮关键前体p-对香豆酸和柚皮素的高效合成，展示了非葡萄糖碳源在芳香族天然产物合成中的独特优势。在此基础上，通过精细调控从葡萄糖到柚皮素的代谢流分配，并引入高效的黄酮3′-羟化酶，实现了圣草酚的高效从头合成，进一步凸显了代谢平衡在多酶级联反应中的关键作用。以柚皮素为枢纽分子，团队进一步搭建异黄酮合成模块，通过系统筛选异黄酮合酶IFS、细胞色素P450还原酶CPR与异黄酮脱氢酶HID的组合并实施多拷贝整合，成功在酵母中实现了染料木素及其糖苷衍生物的稳定从头合成，构建了可拓展的异黄酮骨架生产平台。

在结构修饰层面，针对异黄酮类天然产物中高附加值的多羟基化特征，团队构建了基于P450的定点羟基化通路，实现了3′-羟基染料木素的从头生物合成，显著拓展了酵母体系在复杂芳香族骨架精细修饰方面的能力。与此同时，围绕提升产物溶解性与生物活性的糖基化修饰需求，团队系统工程化UDP-糖供给网络与糖基转移反应，不仅实现了多种黄酮7-O-双糖苷的高效合成，还建立了具有通用性的糖基化底盘，为不同黄酮底物的结构多样化提供了可迁移策略。在此基础上，通过对关键糖基转移酶的系统筛选与表达精细调控，进一步实现圣草酚7-O-葡萄糖苷的合成，验证了该糖基化策略在工业放大中的应用潜力。

总体而言，团队通过多尺度代谢工程与合成生物学策略的协同应用，构建了一个从碳源利用、前体强化到复杂黄酮与异黄酮衍生物合成的系统化工程框架，为天然产物的绿色制造及其结构功能拓展提供了具有普适意义的研究范式。

3 传统与新兴技术的未来与展望

1）技术路线互补融合

当前，功能性天然产物的获取正从依赖植物提取与化学合成的传统模式，迈向与传统技术融合、协同发展的新阶段。生物合成法凭借其精准、高效、绿色的优势，主攻具有极高药用或商业价值且通过植物提取效率低下或难持续获取的活性单体，如珍贵中药材中的特效成分（紫杉醇、长春碱，东莨菪碱等）、高端化妆品中的稀有活性物质（如稀有人参皂苷），以及作为精细化工关键手性砌块的天然分子。而传统提取方法仍在大宗、复杂性混合物（如果胶、全谱提取物）的生产中占据不可替代的地位，如在许多应用中植物的价值在于其多种成分共同构成的“天然协同效应”：一朵玫瑰的香气、一叶绿茶的回甘，并非单一分子所能完全模拟。在食品、保健品以及中成药领域，全谱提取物或标准化提取物本身就是产品的灵魂，传统技术能满足市场对“整体天然”的需求。

这两种技术并非简单替代，而是形成“提取”与“合成”并存的二元体系。在这一体系中，二者深度融合、相互赋能。生物合成能大规模提供绝对纯净的天然产物单体，这为传统提取物建立了“化学标尺”和“生物效价标尺”，使得质量控制从简单的“含量测定”升级为精准的“功效定量”，极大地提升了产品的科学公信力和市场价值。同时，通过“自下而上”的研究方法，将生物合成的单一成分与全谱提取物进行系统的生物学对比，可以精确解析究竟是何种成分在起主导作用，何种成分间存在协同或拮抗。这将反向指导育种和提取工艺的优化，实现从“模糊经验”到“精准设计”的飞跃。而传统产业也能反哺生物制造，构建“循环经济”。例如，传统食品加工业的副产物，如果渣、废糖蜜等，富含微生物生长所需的碳源、氮源和微量元素，将这些“废弃物”转化为生物合成的发酵培养基，既为生物合成提供廉价原料，显著降低生产成本，也能形成“从土地中来，回车间中去”的产业内循环，极大地提升了生态系统的资源利用效率和环境友好度。

2）未来研究布局

协同发展的未来依赖于前沿技术的集群式突破。未来的微生物细胞工厂将是高度自主的“活体智能机器人”。通过结合代谢途径的AI逆合成设计、CRISPR基因编辑技术以及自动化高通量筛选与发酵平台，人们可像编程计算机一样设计和优化微生物，实现“设计-构建-测试-学习”的全自动化循环，将研发周期缩短数个量级。下游分离纯化是成本的“主战场”。未来技术将聚焦于超临界流体萃取、分子印迹技术、无溶剂色谱分离等多技术结合的创新手段，最大限度地减少能源和有机溶剂消耗，实现生产全过程的清洁、低碳。最终，将催生一个全新的产业生态，即传统提取工业负责生产复杂混合物并供应发酵底物；生物合成则高效制造高价值单体和标准品；信息技术与自动化则作为神经中枢，贯穿全链条。

3）总结

从提取到合成，是一场从“依赖自然禀赋”到“协同设计与创造”的深刻变革。这不是抛弃传统，而是以深厚的底蕴为基础，用新兴技术注入新的活力。在技术上，二者通过提供标准品与循环底物，实现相互赋能；在产业上，二者通过精准的功能定位，形成错位发展、协同并进的格局；在愿景上，最终将构建一个由智能细胞工厂、绿色过程工程和循环经济模式共同支撑、可持续发展的新型产业生态系统。打破技术路线的隔阂，促进传统智慧与前沿科技的深度融合，方能共同应对资源、环境与健康的全球性挑战，开启天然产物研究与产业应用的新篇章。

原文链接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=_JlElU3EDUru-f9zjLqa-ZbPD6OAItMpbucc7mMbmOTtj1wYvecvvCtxm4zZ2N18lIKhkf5UoKfzRi1w4Tx9vZLEiTMb-kxzl1P48AVmj9lLbfvM_u7vCeM2gkFAe63WK1qGAPNXkdoadjyl7Zy9RH2x5ZhvNtSl5sQ5RBqyeC11bXCYgtE-FQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS