Nature：首次成功地利用经过重编程的酵母合成抗癌药物长春碱

在2019年的夏季和秋季，一些癌症患者的治疗出现了中断，原因是药物长春碱（vinblastine）和长春新碱（vincristine）的短缺，它们是治疗几种类型癌症的基本化疗药物。这两种药物是从马达加斯加植物长春花（Catharanthus roseus）的叶子中分离出来的，目前还没有替代品。该植物的两种活性成分：文多灵（vindoline）和长春质碱（catharanthine）一起形成了可以抑制癌细胞分裂的长春碱。

尽管这种植物很常见，但生产1克长春碱需要2000多公斤的干叶。2019年到2021年的持续短缺主要是由这些成分的供应延迟造成的。

在一项新的研究中，来自丹麦技术大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校和中国科学院深圳先进技术研究院等机构的研究人员对酵母进行了基因工程改造，以产生文多灵和长春质碱。他们还成功地提纯了这两种前体，并将它们结合起来，形成了长春碱。相关研究结果于2022年8月31日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine”。

这项新的研究可能会产生完全不受影响作物种植的因素（如植物疾病和自然灾害）影响的文多灵、长春质碱和其他生物碱的新来源。根据论文第一作者、丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心高级研究员Jie Zhang的说法，由于制造这些化合物的基本成分是面包酵母和简单的可再生底物（比如糖和氨基酸），因此制造它们也不容易受到大流行病和全球物流挑战的影响。

Zhang说，“在过去的几年里，我们已经看到了这些药物在市场上出现了多次短缺的情况。这些事件发生的频率越来越高，并且很可能在未来再次发生。当然，我们设想为这些药物和其他分子建立新的供应链。这个结果是一个概念证明，不过在扩大规模和进一步优化细胞工厂，以具有成本效益的方式制造这些成分方面，还有很长的路要走。”

抗癌药物的潜在新供应链

除了这是第一项展示这些抗癌基本药物的全新供应链的研究外，这项新的研究还展示了导入微生物细胞工厂的最长生物合成途径或者说“装配线”。根据Zhang的说法，后者本身就是一个很有希望的结果。

长春碱属于所谓的单萜类吲哚生物碱（monoterpene indole alkaloids, MIA）。MIA具有非常高的生物活性，在治疗多种疾病方面非常有用。然而，它们是高度复杂的分子，因此，很难合成生产。

Zhang说，“为了证实微生物制造所有MIA的可行性，我们选择了植物化学中已知的最复杂的化学物之一。当我们在2015年开始的时候，我们并不知道制造长春碱所需的完整途径。我们也没有意识到社会所面临的短缺问题。这是我们所知道的最长途径，我们知道它很可能编码了30多个酶促反应。最大的挑战是如何用30多个步骤对单个酵母细胞进行编程，并确保经过重编程的酵母细胞能够发挥所需的功能，同时能够自我维持。这是一项重大的挑战，也是我们研究的最大部分。这一点都不简单。”

strictosidine-β-D-glucosidase (SGD)在酵母中的功能化

论文共同通讯作者、丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心高级研究员Michael Krogh Jensen补充说：“我们必须在酵母细胞的装配线上安排合适的‘人员’。我们还需要来自酵母细胞中已有的其他装配线的补充，以使它顺利地起作用。我们需要所谓的辅因子。与此同时，你还需要确保酵母细胞中实现其他基本功能所需的起始材料也要到位。”

这些作者进行了56次基因编辑，将31个步骤的生物合成途径重编程到面包酵母中。尽管这项新的研究较为困难，而且还需要开展更多的研究工作，但是他们预计，酵母细胞将成为一个可扩展的平台，在未来生产3000多种天然存在的MIA和数百万种新的天然类似物。

Jensen说：“在这个项目中，我们正在寻找制造人类健康所必需的复杂化学物的新方法，尽管该技术也可能在农业和材料科学中有用。生物技术提供了一些令人兴奋的东西，因为化学合成难以规模化，而且自然资源是有限的。我们认为需要第三种方法：发酵或全细胞制造。将自然界中已知的装配线导入到微生物细胞中，使它们能够生产一些复杂的化学物。”

根据这些作者的说法，如今基于他们的新平台可能生产的许多新的基本MIA包括化学治疗药物长春新碱、伊立替康（irinotecan）和拓扑替康（topotecan）。所有这些药物都与长春碱一起被列入世界卫生组织的基本药物清单。

这项新的研究进一步强调了合成生物学的最新发展，包括工程酵母用于药物生产。细胞工厂如今可以生产的其他分子包括治疗癌症、疼痛、疟疾和帕金森病的潜在药物。

利用廉价和可再生的底物在工业规模的发酵器中生产原本来自植物的药物，可能会缓解未来的短缺，并构建一个独立于需要种植的生物或稀有生物的更可持续的经济。

论文共同通讯作者丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心科学主任Jay D. Keasling长期以来一直是合成生物学的先驱，在利用合成生物学生产基本分子方面处于领先地位。比如，2003年，他成功地设计了大肠杆菌来生产抗疟药物青蒿素的前体分子。后来，他将整个途径重编程到酵母细胞中，就像现在可能用于制造文多灵和长春质碱的酵母细胞。

Keasling说：“我们在酵母中构建的代谢途径是迄今为止在微生物中重建的最长生物合成途径。这项新的研究表明，非常长和复杂的代谢途径几乎可以从任何有机体中获取，并在酵母中重组，以提供急需的治疗药物，而这些药物用合成化学方法合成起来太复杂了。由于酵母本身是可扩展的，这种工程酵母有朝一日可以提供长春碱以及这个天然产物系列中的其他3000种相关分子。这不仅会增加供应量并降低消费者购买这些产物的成本，而且这种生产也是环保的，因为它消除了从敏感的生态系统中收获有时是罕见的植物来获得这些分子的需要。”