用微生物制造抗癌药物

用植物治疗人类疾病

植物的药用价值已经被用来治疗人类疾病数千年了。虽然具体的时间表还不清楚，考古研究说明草药在6万年前就开始使用了。21世纪^圣世纪以来，“传统”或“西方”做法主导了医学领域，这主要是由于化学合成药物的新能力。

“尽管目前人们专注于将合成化学作为发现和制造药物的载体，但植物对疾病治疗和预防的贡献仍然是巨大的。”写Ciddi Veeresham教授来自Kakatiya大学药学系。即使在21世纪初^圣世纪以来，世界卫生组织认为基本和必需的252种药物中有11%完全来自开花植物。”

对于肿瘤学，基于植物的抗癌药物已被证明有助于对抗一种声称大约609360人的生命仅在美国。的例子至关重要的植物抗癌化合物包括鬼臼毒素类似物、紫杉烷、长春新碱和长春新碱。后两种是单萜吲哚生物碱(MIAs)的例子，从马达加斯加长春花(Catharanthus roseus也叫)．在细胞增殖过程中，长春碱通过与微管结合抑制细胞周期，防止有丝分裂纺锤体的形成。它可以作为一个化疗剂治疗淋巴瘤、卵巢癌、乳腺癌、睾丸癌、肺癌等癌症。

虽然植物代表了新颖和潜在治疗化合物的丰富来源，但它们的丰度是有限的，环境问题围绕着它们的大规模用途。

“一种叫做紫杉醇的有效抗癌药物是从太平洋紫杉树中开发出来的。然而，它是基于一种产量非常低的化学物质。” 说 梅拉尼-詹·豪斯博士 他是英国皇家植物园(Royal Botanical Gardens, Kew)的研究负责人。为了研制这种药物，不得不砍倒数百棵树。因此，这棵树现在被列为近危。”

需求也远远超过供应。让我们以mia为例。长春碱和长春新碱分别需要500公斤和2000公斤的干燥c . roseus也叫叶子合成1克活性产物，可以治疗大约10个病人。“我不用说，许多作物必须依靠这些原料药的低产量植物提取来种植。这本身就有问题。迈克尔·克拉夫·詹森博士他是该研究所的高级研究员诺和诺德生物可持续发展基金会中心．

替代性生物合成途径

在长春碱和长春新碱之后获得食品和药物管理局(FDA)的批准在20世纪60年代早期，人们探索了使用部分化学方法合成它们的方法。在1974在美国，科学家成功地将前体单体长春多林和catharanthine结合在一起，生产出具有生物活性的长春碱。然而，这个过程并不简单。“生物碱的复杂化学性质主要来自于它们众多的立体中心和活性侧基。当需要获得区域选择性和对映选择性分子时，这使得全合成，甚至半合成特别具有挑战性，”Jensen说。

最终，从环境和财务角度来看，目前这些抗癌药物的研发成本都很高。Jensen进一步解释道:“从植物中提取微量的长春花生物碱使用了苛刻的化学物质。在社会经济方面，必须指出的是，尽管各国政府和世界卫生组织采取措施规范这些基本药物的价格，但事实是，其中许多药物在全球分布并不均匀。许多国家无法补贴它们在临床中的使用。”

FDA将长春碱和长春新碱列入“短缺药物”列表2019 - 2020年。

这些问题超出了长春花生物碱的范畴。“像mia一样，紫杉烷显示出复杂的结构，不可能以经济有效的方式进行大规模化学合成。”写图尔大学生物碱生物合成小组负责人Vincent Courdavault博士在2020年对该领域的综述中说道。几十年来，该领域的科学家一直在考虑是否可以利用替代生产系统来生物合成长春花生物碱和其他抗癌药物，如微生物合成。

2015年，这成为詹森和同事们的重点，专门研究mia。将它们重构到另一个生产系统需要全面了解如何重构c . roseus也叫首先产生天然化合物。哪些酶是必需的?是什么基因编码这些酶?

Catharanthus roseus也叫。来源:iStock。

2018年，这一信息得以公开。一篇发表于科学概述了长春碱的整个生物合成途径，包括发现了两种“缺失”的酶。具备如何去做的知识c . roseus也叫在生产药物时，研究人员接下来考虑的是哪个“宿主”可以通过基因工程来表达这种途径。

用啤酒酵母制作抗癌药物

詹森和他的同事——包括科达沃特——开始研究酿酒酵母也被称为啤酒酵母。“说到小分子制造，酵母的优势有很多原因。首先，它是一种能够承受高压、长时间发酵过程和低ph值的生物技术工作马。这些都是可扩展的基于发酵的制造所寻求的特征，”詹森说。“至于复杂的小分子，如生物碱、黄酮类化合物和较大种类的萜类化合物，酵母被寻找是因为它具有很高的膜容量，可以容纳一类重要的膜固定酶，即P450。”

Jay Keasling教授他是劳伦斯伯克利国家实验室的高级教员科学家，也是DTU Biosustain的科学总监，此前曾成功地利用酵母生产其他植物衍生化合物，包括大麻类．Jensen、Keasling和Courdavault以及其他同事开始将长春碱途径重构为微生物的“细胞工厂”。这不是一件容易的事——这条路径有31步长，詹森强调需要多学科的科学家，包括化学、数据科学、生物工程和发酵方面的专业知识。

他们的方法利用CRISPR-Cas9等基因组工程技术，可以在基因组中进行精确切割，以插入或移除基因。研究人员的目标是实现中间分子的合成，包括strictosidine -一种生产所有mia的基础分子。Jensen说:“在我们的研究中，我们构建了不同的途径模块，并在组合之前对每个模块进行了单独优化，以获得最终性能最佳的vindoline和catharanthine生产菌株。”

总共需要56次基因编辑，包括插入34个植物基因、删除、敲除和过表达野生型酵母基因，才能在酵母中成功生产vindoline和catharanthine。如果你在想，这些是前体分子，对吧?你是正确的。研究人员指出，酵母中的生物合成“反映”了基于植物的生产过程，其中长春碱和catharanthine在从酵母中纯化后结合在一起c . roseus也叫叶子。

一个无限的化学空间

微生物会为未来的抗癌药物提供新的供应链吗?研究人员强调，这只是早期研究。通过这种途径实现的数量(每L培养10微克/升的vindoline和100微克/升的catharanthine)还不能与行业标准竞争，但这是一个巨大的成就——这篇论文标志着最大的生物合成途径被重构为微生物细胞工厂。

“该途径也可以被增强，以产生新的天然mia，这可能具有更好的药理特性，如更高的疗效或更少的副作用，”他说张洁博士他是DTU Biosustain的高级研究员，也是这项工作的主要作者。他总结道:“这将有可能使我们用许多新的生物活性探索几乎无限的化学空间。”