Nature新突破：用重新编程的酵母可以合成抗癌药物！

一组国际科学家在《自然》杂志上发表的一项新研究证明，经过改造的酵母细胞可以合成基本抗癌药物长春碱。

　　

在2019年夏秋两季，一些癌症患者的治疗出现中断。原因是长春碱（vinblastine）和长春新碱（vincristine）的短缺，这两种药物是治疗几种癌症的基本化疗药物。

从马达加斯加长春花(Catharanthus roseus)的叶子中分离出来的这些药物没有其他替代品。该植物中的两种活性成分：vindoline和catharanthine——共同形成长春碱，可以抑制癌细胞的分裂。

虽然长春花很常见，但生产1克长春花碱需要2000公斤以上的干叶子。2019年的短缺一直持续到2021年，主要原因是这些原料供应延误。

由DTU研究人员领导的一个跨学科的国际科学家团队已经通过基因工程改造酵母来生产vindoline和catharanthine。他们还设法纯化并结合这两种前体。由此发现了一种新的合成方法来制造这些药物。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

这项研究可能会产生完全独立于作物种植因素(如植物疾病和自然灾害)的vindoline、catharanthine和其他生物碱的新来源。DTU Biosustain高级研究员、这篇新论文的主要作者Jie Zhang表示，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基质，如糖和氨基酸，生产也更不容易受到流行病和全球物流挑战的影响。

“在过去的几年里，我们已经看到市场上发生了几起此类药物短缺的事件。它们正在更频繁地发生，并且很可能在未来再次发生。当然，我们设想为这些和其他分子建立新的供应链。这一结果是一个概念的证明，在升级和进一步优化细胞工厂，以一种具有成本效益的方式生产成分方面，不过还有很长的路要走。”

抗癌药物可能的新供应链

除了首次展示了这些抗癌基本药物的全新供应链之外，该研究还展示了插入微生物细胞工厂的最长生物合成途径(或称“流水线”)。Jie Zhang认为，后者本身就是一个很有前途的结果。

长春碱属于所谓的单萜吲哚生物碱，简称MIAs。MIAs在生物学上非常活跃，在治疗各种疾病方面很有用。然而，它们是高度复杂的分子，因此很难合成。这项研究旨在证明研究人员可以做到这一点。

“为了证明微生物制造所有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质之一。当我们在2015年开始研究的时候，我们并不知道制造长春碱所需的全部途径。我们也没有意识到社会面临的短缺问题。这是我们所知道的最长的途径，我们知道它可能编码了30多种酶的反应。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，同时仍然确保重新编程的细胞在需要时发挥作用，同时能够维持自身。这是我们研究的主要挑战和最大的部分。这一点都不简单。”Jie Zhang说。

DTU的高级研究员、该研究的通讯作者之一Michael Krogh Jensen补充道:

“我们必须在生产线上安排正确的‘人员’。我们还需要补充其他装配线已经在酵母细胞，使其工作顺利。我们需要所谓的辅助因子。与此同时，你还需要确保细胞中其他基本功能所需的起始物质已经到位。”

该团队进行了56次基因编辑，为进入面包酵母的31步生物合成途径编程。尽管这项工作很困难，而且还需要更多的工作，但作者预计，酵母细胞将成为一个可扩展的平台，在未来生产3000多种自然发生的MIAs和数百万种新的自然类似物。

“在这个项目中，我们正在寻找制造对人类健康至关重要的复杂化学物质的新方法，尽管该技术也可能在农业和材料科学中有用。生物技术带来了一些令人兴奋的东西，因为化学合成很难规模化，而且自然资源是有限的。我们认为第三种方法是必要的:发酵或全细胞制造。自然界中已知的装配线插入微生物细胞，并允许细胞产生一些复杂的化学物质”。

根据作者的说法，在基于他们的新平台可能生产的许多新的必要MIA中，有化疗药物长春新碱、伊立替康和拓扑替康。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。

酵母细胞在药物生产中带来希望

这项研究进一步强调了合成生物学的最新发展，工程酵母被用于药物生产。细胞工厂现在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。

使用廉价和可再生的基质在工业规模的发酵罐中生产从植物中提取的药物，可能会缓解未来的短缺，并创造一种更可持续的经济，不依赖于养殖或稀有生物。

通讯作者Jay D. Keasling是加州大学伯克利分校化学与生物分子工程教授和DTU Biosustain的科学主任，长期以来一直是合成生物学领域的先驱，在利用它生产基本分子方面处于领先地位。一个典型的例子是:2003年，他成功地改造了大肠杆菌，使其生产出抗疟疾药物青蒿素的前体。后来，他将整个途径改造到酵母细胞中，就像现在酵母细胞可能被用来生产vindoline和catharanthine一样。

“我们在酵母中构建的代谢途径是有史以来在微生物中重组的最长的生物合成途径。这项工作表明，非常长和复杂的代谢途径可以从几乎任何生物体和重组酵母，以提供非常需要的治疗，太复杂，使用合成化学合成。因为酵母本身是可扩展的，这种工程酵母有一天可以提供长春花碱以及这个天然产品家族中的3000个其他相关分子。这不仅会增加消费者的供应，降低这些产品的成本，而且生产也是环保的，因为它不需要从敏感生态系统中收获有时很稀有的植物来获得分子。”

原文标题：

A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine