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(zhǎng)春堿和長(zhǎng)春新堿藥物出現(xiàn)短缺——這兩種藥物是馬達(dá)加斯加長(zhǎng)春花的天然產(chǎn)物，常用于癌癥化療。

長(zhǎng)春堿由長(zhǎng)春花中的兩種天然活性成分文多林（vindoline）和長(zhǎng)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(zhǎng)期以來(lái)，長(zhǎng)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(zhǎng)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的合成方法來(lái)制造這些藥物，該團(tuán)隊(duì)使用高度工程化的酵母從頭合成文多林和長(zhǎng)春花堿，然后通過純化和偶聯(lián)這兩種前體形成長(zhǎng)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(dú)立于影響作物種植的因素（如植物病害和自然災(zāi)害），同時(shí)，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(jiǎn)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(zhǎng)春堿的生物合成

DTU高級(jí)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?yàn)榛瘜W(xué)合成難以規(guī)?；匀毁Y源又是有限的。

事實(shí)上，關(guān)于長(zhǎng)春堿的這項(xiàng)研究于2015年就開始推進(jìn)，但當(dāng)時(shí)長(zhǎng)春堿的完整生物合成途徑還是未知的，團(tuán)隊(duì)也并未意識(shí)到該藥物未來(lái)可能面臨的短缺，而是基于驗(yàn)證微生物制造所有MIA的可行性的目的選擇了長(zhǎng)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(gè)酶促反應(yīng)。

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

31 步長(zhǎng)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(lái)在微生物中重構(gòu)的最長(zhǎng)的生物合成途徑。

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

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

酵母在藥物生產(chǎn)中的前景

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

Jay D.Keasling教授表示，作為有史以來(lái)在微生物中重構(gòu)的最長(zhǎng)的生物合成途徑，這項(xiàng)工作表明，幾乎可以從任何生物體中提取非常長(zhǎng)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(kuò)展性，因此團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，酵母細(xì)胞將成為一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)，在未來(lái)生產(chǎn)3000多種自然發(fā)生的MIA和數(shù)百萬(wàn)種新的自然類似物，包括化療藥物長(zhǎng)春新堿、伊立替康和拓?fù)涮婵档鹊取?/p>

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