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本研究主要围绕红景天苷、天麻素以及贯叶金丝桃素中间体-间苯三酚衍生物的大肠杆菌（Escherichia colf）细胞工厂的构建展开。 所涉及的三种化合物都具有重要的生物学活性。其中，红景天苷是藏药红景天中的主要活性成分之一。红景天苷具有增强免疫力、消除忧郁感、保护心血管、抗疲劳、抗辐射、抗肿瘤以及抗缺氧等多方面的作用。天麻素是传统中药天麻中的主要活性成分。天麻素具有较好的镇静安眠作用，对神经衰弱、失眠、头痛症状有缓解作用。临床应用于治疗基底动脉供血不足、前庭神经元炎以及眩晕症等。贯叶金丝桃是我国传统中药材，其在西方被称为圣约翰草，被广泛用于抗抑郁的治疗中，其主要活性成分是贯叶金丝桃素。除了抗抑郁外，贯叶金丝桃素还具有抗菌、抗肿瘤、抗阿尔茨海默症、促进学习记忆等多种功能。目前，这三种化合物主要是通过植物提取和化学合成获得，利用微生物合成的案例尚未见报道。本研究将利用合成生物学的方法，通过途径解析，将来自于植物、酵母、放线菌和大肠杆菌等多种不同种属来源的相关基因进行模块化整合及表达，分别实现了大肠杆菌异源合成红景天苷、天麻素以及贯叶金丝桃素中间体-间苯三酚衍生物。 本研究首先将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来源的丙酮酸羧化酶ARO10在大肠杆菌中过表达，得到产酪醇的大肠杆菌底盘细胞，然后将来自库页红景天（Rhodiola sachalinensis）的糖基转移酶UGT73B6在该底盘细胞中过表达，成功构建了红景天苷大肠杆菌细胞工厂（56.9 mg/L）。针对野生型糖基转移酶UGT73B6催化活性低的问题，我们对该酶进行了定向进化改造。以酪醇结构类似物荧光物质7-羟基-4-甲基香豆素为筛选底物，通过高通量检测荧光值变化，筛选得到两个酪醇转化率显著提高的突变体，UGT73B6(M264K)和UGT73B6(F389S)，分别命名为:UGT73B6MK和UGT73B6FS。在生物转化实验中，UGT73B6MK催化酪醇合成红景天苷的产量提高到114.1 mg/L，约是野生型的4倍;另一突变体，UGT73B6FS催化酪醇合成红景天苷的能力降低，但其糖基化酪醇酚羟基合成淫羊藿次苷D2的活性得到显著提高，产量达到302.7 mg/L，约是野生型的10倍。蛋白质同源建模分析表明，M264残基位于UGT73B6三级结构的表面，非极性甲硫氨酸突变为极性的赖氨酸可能增强了酶的可溶性，提高了酶的转化率。F389残基则存在于UGT73B6的保守序列PSPG Box中，F389S突变可能影响了该酶与底物的结合位点，从而使得其结合醇羟基的活性降低，结合酚羟基的活性提高，改变了酶对底物酪醇的区域选择性。 为了进一步验证UGT的底物宽泛性，本研究对其进行多种底物的生物转化实验，发现糖基转移酶UGT73B6除了能够催化酪醇合成红景天苷和淫羊藿次苷D2外，还可以催化其它酚类化合物包括黄酮类化合物的糖基化，这为合成新的酚苷类天然产物奠定了基础。 本研究发现UGT73B6、UGT73B6MK以及UGT73B6FS均可以催化对羟基苄醇形成天麻素，在饲喂2mM对羟基苄醇摇瓶发酵48 h时，其相应菌株的天麻素产量分别为69.4 mg/L、200.8 mg/L和294.5 mg/L，而组合UGT73B6MK以及UGT73B6FS得到的双突变体UGT73B6FS/MK能进一步提高天麻素的产量，相同的发酵条件下，其菌株的天麻素产量提高至351.7 mg,/L;在优化了UDP-Glucose模块，同时增加对羟基苄醇的饲喂量(4mM)之后，双突变株中天麻素的产量达到了687.4 mg/L。通过分析对羟基苄醇的可能生物合成途径，人工合成了来自诺卡氏菌属（Nocardia iowensis）的羧酸还原酶CAR基因及来自枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）的CAR辅因子Sfp基因。在大肠杆菌中过表达CAR、，Sfp及大肠杆菌内源ubiC基因，成功构建了产对羟基苄醇的大肠杆菌底盘细胞，其中对羟基苄醇产量为17.0 mg/L。并在该底盘细胞中过表达大肠杆菌分支酸途径中的相关基因，aroG*和ppsA，使对羟基苄醇的产量提高到240.6 mg/L。然后在该菌中过表达UGT73B6Fs，实现了在大肠杆菌中利用葡萄糖为碳源从头合成天麻素，产量达265.0 mg/L。 此外，本研究初步探索了贯叶金丝桃素中间体-间苯三酚衍生物细胞工厂的构建。首先将来自阿维链霉菌（Streptomyces avermitilis）的支链酮酸脱氢酶复合体(BCDH)基因转入大肠杆菌中，并通过过表达支链酮酸合成途径中的三个基因，alsS，ilvC和ilvD，成功构建了支链CoA的底盘细胞。针对支链CoA不易检测的问题，本研究引入氯霉素乙酰转移酶（CAT），该酶能够催化较难检测的异戊酰-CoA和异丁酰-CoA分别形成易于HPLC检测的异戊酰氯霉素和异丁酰氯霉素。在得到合成支链CoA的底盘细胞后，本研究引入了植物啤酒花（Humulus lupulus）来源的苯戊酮合酶VPS，该酶能够催化支链CoA与丙二酰-CoA缩合并最终形成间苯三酚衍生物。最终，本研究成功地获得了以葡萄糖为碳源合成间苯三酚衍生物的大肠杆菌工程菌。