合成生物学在天然药物和微生物药物开发中的应用

合成生物学在天然药物和微生物药物开发中的应用

秦洪波

哈药集团三精明水药业有限公司 黑龙江省绥化市 151700

摘要：随着社会的发展和科技的进步，以合成生物学为基础的微生物药物研发和应用领域取得了突破性进展，各种微生物药物的出现，为医疗卫生事业发展提供了强大的技术支撑。本文分析了合成生物学在天然药物和微生物药物开发中的应用。

关键词：合成生物学；天然药物；微生物药物

合成生物学是21世纪以来,在现代生命科学和系统科学上发展起来的一门新型交叉学科,其以设计为核心,将工程化的概念引入生物学研究,利用基因和基因组的基本要素及其组合,改造、重建或制造生物大分子、生物体部件、生物反应系统、代谢途径乃至整个生命活动的细胞和生物个体。

一、微生物药物与合成生物学基本内容概述

微生物药物是指以微生物为基础开发的药物，主要是从微生物次级代谢产物中提取元素进行合成的药物。以抗生素为代表的微生物药物在医学控制感染、调节免疫功能、治疗癌症等方面发挥关键作用。合成生物学是以理性的精细化人工设计理念为原则，在对生命系统进行分析和设计、遗传改造和构建等方面进行研究、优化，从而形成和赋予原生命系统新的内涵和功能。当前从放线菌、真菌等微生物中发现的微生物次级代谢产物研发的微生物药物已经好几百种。但是随着化学物排重难度增大，微生物分离培养技术要求越来越高，所以对微生物药物的直接研究和制造难度大大提升。

二、合成生物学在天然药物中的应用

1.代谢工程基础上的合成生物学。代谢工程使用DNA重组和分子生物学等手段改造生物体(主要是微生物)的代谢网络,使其可以高效率地合成特定的代谢产物(主要是次生代谢产物),如抗生素等。作为一个工程化学科,代谢工程所面临的挑战包括两个方面:(ⅰ)控制涉及目标产物合成的主级代谢途径,使改造的生物体成为稳定的“细胞工厂”;(ⅱ)放大生产过程中所面临的影响最终经济效益的产量及成本等问题.因此,如同化工厂在运行过程中需要通过专业的设计软件和过程控制系统等设计其运行模型,使之成本降低、生产效率提高并保证安全,通过代谢工程改造的“细胞工厂”同样需要设计,并且生物体内化学反应的复杂程度决定了设计的系统性,而这个设计的过程则属于合成生物学的范畴。合成生物学在此方面的应用主要针对一些药效显著、结构明确、生物合成机制清晰的天然药物(或中间体),因此也被称为定向合成生物学。虽然在应用过程中并不改变原有的生物合成途径,也不改变最终产物的结构,但由于生物体的复杂性和以大规模生产为目的,在生物体改造过程中任何细微的改变都将被级联扩大并影响最终结果,所需考虑的问题很多也超出单一学科的范围,如成本、利润和市场等,是一个系统性的设计过程。

2.组合生物合成基础上的合成生物学。代谢工程基础上的合成生物学应用并不改变天然药物原有的合成途径,因此也不改变最终产物的化学结构,解决的是产量的问题。而得到数量更多,活性更好的化合物作为天然药物发展的另一大挑战,合成生物学也有其对应的回答。组合生物合成利用微生物作为“细胞工厂”,通过对天然产物代谢途径的遗传控制来生物合成新型复杂化合物:将不同来源的天然产物生物合成基因进行重组,在微生物体内建立组合的新型代谢途径,由此重组微生物库所产生的新型天然产物构成的类似物库,有利于从中发现和发展更具有应用价值的药物.组合生物合成实施过程中同样面临生物体系复杂性的问题,而且引入新的途径和组合,将会使问题变得更加难以解决.而合成生物学的应用将有助于组合生物合成难题的解决:(ⅰ)设计新的生物合成途径并使用已表征性质的生物合成元件构建新的生物体,使其产生预期的化合物;(ⅱ)在实现过程中,运用工程化的理念将不同来源、不同功能的合成元件进行整合,并优化宿主生物体代谢网络与新的途径间的通路,使新的生物体达到稳定和高效。

3.元件改造基础上的合成生物学。在已充分了解某种天然产物生物合成途径的基础上,通过体内基因敲除和体外酶学研究相结合,可以确定该天然产物生物合成基因簇中每一个基因元件的功能及其所对应酶的底物耐受性.然而为了提高天然产物的产量并得到尽可能多的衍生物,时常需要对负责合成该天然产物的基因元件进行改造。酶工程中的定向进化以及理性的元件改造都是常用的方法。

三、合成生物学在微生物药物研究中的应用

放线菌是一类高GC含量的革兰阳性细菌，是次级代谢活性产物的重要来源，目前已知的15000多种微生物来源的天然抗生素中，有将近70%是由放线菌产生的。

1.达托霉素。达托霉素是一种糖肽类抗生素，用于治疗革兰阳性敏感细菌引起的并发性皮肤及皮肤结构感染，不易产生耐药性。通过分析达托霉素生物合成基因簇，首先将总长128kb的基因簇分成128个片段，然后比较了Gibson等温一步重组技术和酵母胞内同源重组技术对DNA大片段的拼接，最终选用酵母胞内重组将128个片段进行体内拼接并转入变铅青链霉菌中实现异源表达。

2.埃博霉素。埃博霉素(epothilone)是由纤维堆囊菌(Sorangiumcellulosum)产生的大环内酯类化合物，与紫杉醇具有相同的作用机制，对多重耐药肿瘤细胞和耐紫杉醇的肿瘤细胞均表现强大的抗癌活性，同时较紫杉醇具有更好的水溶性。由于纤维堆囊菌培养过程难、产量低，且发酵生产周期长、提取困难，科研人员克隆了其生物合成基因簇并转入天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)和黄色黏细菌(Myxococcus xanthus)中成功实现了异源表达。随后，他们又根据大肠埃希菌密码子的偏好性将埃博霉素的生物合成基因簇进行了重新设计和合成，在大肠埃希菌中实现了异源表达。

3.美登素。美登素是一种微管抑制剂，能够抑制肿瘤细胞生长，最初是从植物美登木中分离得到。通过克隆美登素生物合成途径中的关键基因，利用美登素类似物安丝菌素作为前体，采用合成生物技术生产美登素。首先通过基因克隆和分析手段确定了美登素和安丝菌素的关联基因，并进一步优化了安丝菌素的生物合成基因簇，构建了突变菌株实现了两个异源类似物的生物转化。

4.红霉素。红霉素属大环内酯类抗生素，生物合成途径为聚酮合成途径，为了实现聚酮类天然产物生物合成基因簇在大肠埃希菌中的异源表达，人们对大肠埃希菌进行了系列改造：引入含有聚酮合成酶(PKS)的修饰酶(Sfp)和前体的合成酶(PrpE和PCC)[46]的生物合成基因簇，实现了红霉素的异源表达。另外，红霉素有多种同分异构体，红霉素A是主要活性成分，红霉素C的活性很小，但其毒性却是红霉素A的两倍，是代谢产物中的主要杂质。

5.纳他霉素。纳他霉素是一种大环内酯类抗生素，作为新型的生物防腐剂被广泛应用于食品与医药领域。发现了一种PI因子诱导物可以诱导纳他霉素多烯大环内酯的合成。通过合成生物学方法研究表明删除或置换pimT基因会显著降低纳他霉素产量。

微生物药物是医药工业的重要分支，在治疗感染、免疫调节和癌症等方面发挥了重要作用。目前，已经从放线菌和真菌中发现了2万多种具有生物活性的次级代谢产物，其中百余种成为微生物药物。但由于化合物排除重复的难度大，加上新微生物资源的开发越来越少，导致直接从放线菌和真菌开发微生物新药难度越来越大。

参考文献：

[1]熊建微生物药物合成生物学研究进展.生命科学,23:826–837

[2]陈娜.微生物药物合成生物学研究进展.有机化学,2013,33:1254–1262