2019年夏秋兩季，一些癌癥患者突然經(jīng)歷了治療中斷，原因是長春堿和長春新堿藥物出現(xiàn)短缺——這兩種藥物是馬達加斯加長春花的天然產(chǎn)物，常用于癌癥化療。

長春堿由長春花中的兩種天然活性成分文多林（vindoline）和長春花堿（catharanthine）共同形成，是一種單萜吲哚生物堿 (Monoterpene Indole Alkaloids，MIA)。

由于MIA難以化學(xué)合成，長期以來，長春堿的供應(yīng)都依賴于從植物中低產(chǎn)量提取和純化其前體獲得。雖然這種植物很常見，但生產(chǎn)1g長春堿需要2000kg以上的干葉才能滿足，從2019年持續(xù)到2021年的藥物短缺，也主要就是由這些原料供應(yīng)的延遲造成的。

近日，DTU Jay D. Keasling教授團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的合成方法來制造這些藥物，該團隊使用高度工程化的酵母從頭合成文多林和長春花堿，然后通過純化和偶聯(lián)這兩種前體形成長春堿。

相關(guān)研究成果以A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine為題發(fā)表在Nature上。

該研究完全獨立于影響作物種植的因素（如植物病害和自然災(zāi)害），同時，由于制造這些化合物的基本成分是面包酵母、糖和氨基酸等簡單的可再生基質(zhì)，因此生產(chǎn)也不太容易受到流行病和全球物流變化的影響。

長春堿的生物合成

DTU高級研究員、該研究的通訊作者之一Michael K. Jensen稱，生物合成是可行的第三種方法，因為化學(xué)合成難以規(guī)?；?，而自然資源又是有限的。

事實上，關(guān)于長春堿的這項研究于2015年就開始推進，但當時長春堿的完整生物合成途徑還是未知的，團隊也并未意識到該藥物未來可能面臨的短缺，而是基于驗證微生物制造所有MIA的可行性的目的選擇了長春堿——已知的植物化學(xué)中最復(fù)雜的化學(xué)品之一，生成過程涉及30多個酶促反應(yīng)。

這也成為了本研究的挑戰(zhàn)，即如何對單個酵母進行編程以實現(xiàn)這30多個酶促反應(yīng)，同時確保重新編程的細胞可以按需發(fā)揮作用并自我維持。

31 步長春堿生成途徑復(fù)雜，該研究在酵母中構(gòu)建的代謝途徑，也成為了有史以來在微生物中重構(gòu)的最長的生物合成途徑。

如圖所示，途徑包括來自色氨酸和香葉基焦磷酸 (GPP) 的雙入口前體供應(yīng)，以及長春堿生物合成與文多林和長春花堿供應(yīng)之間的分歧。在C.roseus中，酶定位在至少五個區(qū)室中，即細胞質(zhì)、質(zhì)體（香葉醇合酶）、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（細胞色素 P450 及其還原酶）、細胞核（嚴格糖苷-O -β- D-葡萄糖苷酶，SGD）和液泡（嚴格糖苷合酶，STR），因此涉及不同組織和細胞類型之間的運輸。

為重構(gòu)該途徑，研究者總共進行了 56 次基因編輯，包括從植物中表達 34 個異源基因，以及刪除、敲低和過表達 10 個酵母基因，以改善從頭生產(chǎn)長春堿和長春堿的前體供應(yīng)，從中半合成長春堿發(fā)生。

酵母在藥物生產(chǎn)中的前景

該研究是項展示這些抗癌基本藥物全新供應(yīng)鏈的研究，同時也進一步強調(diào)了合成生物學(xué)的最新進展——利用工程酵母進行藥物生產(chǎn)。

Jay D.Keasling教授表示，作為有史以來在微生物中重構(gòu)的最長的生物合成途徑，這項工作表明，幾乎可以從任何生物體中提取非常長而復(fù)雜的代謝途徑，并在酵母中重構(gòu)，以提供急需的治療方法。

由于酵母本身具有可擴展性，因此團隊預(yù)計，酵母細胞將成為一個可擴展的平臺，在未來生產(chǎn)3000多種自然發(fā)生的MIA和數(shù)百萬種新的自然類似物，包括化療藥物長春新堿、伊立替康和拓撲替康等等。

本研究成功地實現(xiàn)了通過酵母及廉價和可再生的基質(zhì)生產(chǎn)來自工業(yè)規(guī)模發(fā)酵罐中的植物藥物，能緩解未來藥物供應(yīng)的短缺，并提供一個更可持續(xù)、更具經(jīng)濟性且不依賴于養(yǎng)殖或稀有生物的藥物研發(fā)途徑。