應用合成生物學 突破微生物藥物研發(fā)瓶頸
——訪上海交通大學馮雁教授

應用合成生物學 突破微生物藥物研發(fā)瓶頸
——訪上海交通大學馮雁教授

馮雁，上海交通大學特聘教授，“973”首席科學家。主要致力于分子酶學及合成生物學研究。在國家科技部（“973”項目及“863”項目）、國家自然科學基金及上海市科委支持下，建立了重要微生物代謝酶基因資源庫；基于計算機輔助設計、半理性設計及定向進化等策略，揭示了酶催化活性、底物特異性、穩(wěn)定性等分子作用機制，拓展了酶序列、結構和功能空間；在此基礎上，對微生物代謝途徑進行重新編程及高效適配，設計和構建了天然/非天然產物藥物的細胞工廠，為藥物合成提供了高效綠色的發(fā)展模式。相關研究成果獲省級科技進步一等獎、二等獎各一項；在《ACS Synth Biol》, 《J Biol Chem》,《J Am Chem Soc》等學術刊物上發(fā)表論文近百篇。

《生物產業(yè)技術》：微生物藥物作為現代藥物的重要組成部分，目前其發(fā)展狀況和趨勢如何？

馮雁：微生物藥物與我們的生活息息相關，如臨床使用的抗感染（青霉素、紅霉素）、抗腫瘤（埃博霉素、阿柔比星）、降血脂（洛伐他?。┖兔庖咭种苿ōh(huán)孢菌素、他克莫司）等藥物，很多都是放線菌或真菌的次級代謝產物。微生物藥物長期作為現代藥物的重要組成部分，目前已有100多個品種，全球市值超過300億美元，約占市場份額的20%以上。近年來，微生物藥物的發(fā)現從21世紀四五十年代的黃金期轉變成為目前的瓶頸期，這主要是因為傳統(tǒng)模式采用隨機人工分離篩選為主，而自然界大約只有1%的微生物是實驗室可培養(yǎng)的，這個局限性給傳統(tǒng)新藥開發(fā)帶來很大障礙。另外，由于實際應用中抗生素的廣泛使用甚至出現濫用的現象，篩選出了一批批的超級耐藥菌，導致了嚴峻的形勢。我國一直都是抗生素的生產及使用大國，因此瞄準交叉科學前沿、應用多學科交叉。科學高效地建立和完善微生物藥物創(chuàng)新和優(yōu)產的新模式、發(fā)展現代生物高新技術、推動微生物藥物產業(yè)的跨越式提升和發(fā)展，勢在必行。

基因工程、基因組測序、基因組學、蛋白組學、代謝組學等學科的快速發(fā)展，尤其是合成生物學的出現，使人們擺脫了對自然的依賴，極大地推動了以分子遺傳技術為主要支撐的微生物藥物的開發(fā)和生產。例如，隨著基因工程工具的開發(fā)，對微生物工程菌株改造的可操作性大大增加，進一步可實現高產或得到活性優(yōu)良的衍生物；基因組測序技術的突飛猛進，使人們可以挖掘藥物合成基因簇寶藏，尤其是開發(fā)不可培養(yǎng)的微生物資源；基因組學分析可以為新藥的篩選與發(fā)現建立潛在藥物靶標；應用高通量的蛋白組學和代謝組學的技術平臺，不僅可以推動診斷靶點的確定及藥理學研究，還可以提高藥物產量。在這些新技術、新策略的推動下，微生物藥物的發(fā)現已從低谷中走出。

近十年來，由于合成生物學與微生物藥物研究的碰撞，在重要的聚酮類、硫肽類等藥物新結構設計方面取得了成績，獲得了新功效和新結構的微生物藥物衍生物。如中國科學院劉文研究組 對基于合成生物學模塊化思路，采用計算機輔助藥物設計對硫鏈絲菌素的突變株化學喂養(yǎng)，獲得有更好理化性質和生物活性的衍生物。尤為重要的是，微生物作為藥物合成的載體，可以為其他物種來源（植物、動物、人源）的藥物合成提供載體，進一步設計產生新型微生物藥物。其中，最為著名的例子，就是青蒿素在酵母中實現高產。通過導入外源的合成基因及理性設計，最終青蒿酸產量達到25g/L，進一步通過簡單的四步化學反應就能合成出終產物青蒿素 ，非常接近工業(yè)化生產的所需條件。相信合成生物學技術不僅為傳統(tǒng)微生物藥物品種創(chuàng)新和優(yōu)產提供了重要的支撐，還能在新型微生物藥物研發(fā)方面體現重要作用，必將促進健康和醫(yī)藥產業(yè)的發(fā)展，產生巨大的經濟效應。

《生物產業(yè)技術》：目前，我國合成生物學在全球微生物藥物領域中的研發(fā)和應用處于怎樣的位置?

馮雁：由于我國微生物藥物研究基礎較為雄厚，對微生物藥物代謝途徑解析、途徑重構、微生物菌株改造等方面已形成一定積累，若干研究工作已具有合成生物學特點，可以說我國微生物藥物領域的研究幾乎與國際同步在發(fā)展中。

目前，我國合成生物學發(fā)展中，對于微生物藥物合成途徑理性設計、模塊構建、建立標準元件庫、底盤細胞中集成與適配都取得了顯著進展。例如，中國科學院周志華課題組對英文類藥物分子，如人參鍺CK和丹參酮前體 等進行元件挖掘，實現了傳統(tǒng)植物中藥成分的微生物生產。我們“973”項目子課題組成員揭示了慶大霉素、安絲菌素、安莎三烯、吡咯酰胺類、二硫吡咯酮家族、核糖體肽類等微生物藥物的合成和調控機制，為這些藥物的結構衍生積累了多個結構元件和調控元件。我們“973”項目子課題組以具有自主知識產權的灰色鏈霉菌FR-008為操作平臺，利用基因組最小化與染色體硫化修飾建立了生長快速、遺傳穩(wěn)定、抗噬菌體污染的微生物藥物生產專用底盤細胞。我們“973”項目組還開發(fā)了RxnFinder的在線數據庫，集成了 50 000條生物合成反應，覆蓋了10萬多篇生物合成文獻，可以完成生物合成的交互式設計。但需要承認的是，相對于國際上已取得的里程碑式突破，如青蒿素及紫杉二烯的微生物高產，我國目前在應用合成生物學與微生物藥物領域上，仍然有提高的空間，需要更深入、更大膽、更系統(tǒng)地探索，最終實現產業(yè)變革，相信這一天不會遙遠。

《生物產業(yè)技術》：多種新流行性疾病和耐藥菌株的出現，使得微生物藥物研發(fā)面臨著藥物創(chuàng)新、品種更新以及生產效率提高等多重挑戰(zhàn)，合成生物學在微生物藥物的創(chuàng)新與優(yōu)產方面將提供哪些新的發(fā)展手段和思路？

馮雁：近年來，新的突發(fā)流行病及超級耐藥菌這兩個問題，在全球范圍內都受到高度關注，研發(fā)新的微生物藥物作為最后一道防線意義更為顯著。合成生物學以人工合成DNA為基礎，旨在以工程學中的模塊化和系統(tǒng)化設計理論，設計或創(chuàng)建元件、將模塊化元件組裝途徑，完成人工細胞工廠的創(chuàng)建。所以將合成生物學的工具與思路用來開發(fā)微生物藥物的創(chuàng)新與優(yōu)產，以突破目前藥物研發(fā)面臨的眾多挑戰(zhàn)，是有巨大潛力的。天然存在的微生物藥物都是經過多步酶催化獲得終產物，而且大多數生物合成基因在微生物體內是成簇排列，但不同微生物中次級代謝酶的活性及底物選擇性有很大差異，因此天然藥物合成時有很多副產物，而且產量低；但其優(yōu)勢是多物種可以提供大量生物元件。因此，在對生物合成深入研究的基礎上，對重要催化及調控元件建立元件庫，通過體外分子進化以及途徑多酶的有序組裝等，提升系統(tǒng)催化效率，解決限速步驟的障礙，有望實現優(yōu)產；而且對調控元件標準化后，人工設計途徑的組裝適配性更加高度可控，通過系統(tǒng)集成，可實現優(yōu)產；此外，在已有生物合成途徑中，目的性引入異源催化元件，并進行元件的適配及系統(tǒng)性優(yōu)化，產生新結構化合物，可實現藥物創(chuàng)新。

《生物產業(yè)技術》：目前，微生物藥物合成生物學發(fā)展需要解決的關鍵科學問題和研究方向是什么？

馮雁：應用合成生物學突破目前微生物藥物的研發(fā)瓶頸，挖掘微生物藥物潛力，是有廣泛空間可以操作的。其中存在以下需要解決的關鍵科學問題：在組學基礎上，如何喚醒“沉默”基因簇，如何有效地構建具有多物種來源的生物元件庫，生物催化及調控元件功效的數量控制，合成設計創(chuàng)新系統(tǒng)，生物元件及系統(tǒng)的適配性原理，底盤細胞與多種外源元件的兼容性。這些問題的解決有望最終在生物元件模塊化、標準化的基礎上實現系統(tǒng)集成。目前主要的研究方向有三：其一是對現有大宗微生物藥物合成途徑的優(yōu)化設計，即通過分子工程對每個元件進行標準化設計及系統(tǒng)優(yōu)化，最終實現藥物高產；其二是對動、植物源小分子藥物進行途徑再設計，應用微生物實現高產；其三是重新設計新結構化合物，產生具有新功效的藥物。這三個研究方向是研究熱點，尤其是第三條有一定難度，但是合成生物學理念和技術的應用，將會給藥物合成帶來突破性的革命。

《生物產業(yè)技術》：您主要負責和參與的“微生物藥物創(chuàng)新與優(yōu)產的人工合成體系”項目目前取得了哪些階段性成果？

馮雁：我負責和參與的項目主要集中在藥物合成生物學，即通過多學科交叉融合闡明藥物生物元件與模塊設計合成的分子基礎，探索工程化設計生物合成體系高效適配性的策略，構建適于微生物藥物合成的優(yōu)質底盤細胞，使我國主要微生物藥物品種尤其是重要抗生素品種的應用基礎研究在整體上步入國際前沿水平。經過幾年工作，已有重要進展：確定了抗腫瘤、抗感染藥物安莎霉素、鹽霉素及慶卡霉素等多個藥物生物合成途徑和關鍵基因；建立了世界上最全面的生物合成反應數據RxnFinder，為定向挖掘酶基因元件提供了指導；發(fā)展了依據酶家族信息、以Key-motif為指導的新功能元件優(yōu)化策略；重構了藥物前體β-井岡霉烯胺的生物合成途徑，解決了原有化學合成方法步驟多、安全性低等問題；發(fā)展了超分子多酶體自組裝策略，首次在體內外實現了異源多酶高效催化、結構有序的納米多酶二維組裝體；將CRISPR/Cas9和反向篩選系統(tǒng)結合，開發(fā)了高效放線菌基因編輯技術體系；構建了系統(tǒng)優(yōu)化、抗逆能力強的硫化修飾放線菌底盤細胞；設計獲得活性更優(yōu)的新結構化合物，如具有抗寄生蟲活性的抗生素A33853新結構衍生物；一些人工構建的生物合成產品，如達托霉素、那他霉素等工程菌株已經成功進入放大生產階段。

總體來看，合成生物學經過幾年的工作積累，現在漸入佳境。我們已建立了藥物合成生物學相關的研究平臺，包括生物元件及合成途徑測試、功能優(yōu)化和虛擬設計平臺、鏈霉菌基因組編輯平臺，以及代謝流分析與發(fā)酵條件多尺度優(yōu)化平臺；培養(yǎng)了一支創(chuàng)新能力強的人才隊伍，為未來藥物合成生物學的跨越性發(fā)展奠定重要基礎。

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《生物產業(yè)技術》：請您簡單介紹一下目前我國對合成生物學立項情況，及您對我國合成生物學發(fā)展有哪些建議。

馮雁：合成生物學這門學科在各國都得到大量投資及火熱關注，例如美國和英國分別斥巨資興建合成生物學中心。我國也大力支持合成生物學的發(fā)展，2011～2014年，我國共啟動了合成生物學相關的10個“973”項目和1個“863”項目，主要是在微生物制造。此外，還有1個動物和1個植物的合成生物學項目。這些項目目前都取得了顯著進展，有些已達到國際領先或首創(chuàng)水平，為產業(yè)轉型變革奠定了基礎。我認為目前我國的合成生物學研究已得到共識，高校、研究院及企業(yè)等都有人員投入到該研究中，合成生物學需要工程與科學的高度協(xié)同，其多學科協(xié)同的特性需要打破原來的單兵或單兵種作戰(zhàn)的限制。建議是：①建立多學科協(xié)同的研究平臺和技術體系，實現系統(tǒng)化、規(guī)模化、目標化的多團隊協(xié)同研究模式；②完善合成生物學的模塊化、標準化、系統(tǒng)化的理念，發(fā)展合成生物學科學和技術體系；③針對重大產品集中攻關，建立優(yōu)化、協(xié)調的人工生物合成系統(tǒng)，促進生物產業(yè)發(fā)展。

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.06.002