合成生物學在醫(yī)藥領(lǐng)域的應用

尹怡，劉繼科

（1.長沙長郡中學，湖南長沙410013；2.長沙市規(guī)劃信息服務中心，湖南長沙410000）

合成生物學在醫(yī)藥領(lǐng)域的應用

尹怡1，劉繼科2

（1.長沙長郡中學，湖南長沙410013；2.長沙市規(guī)劃信息服務中心，湖南長沙410000）

隨著自然科學的發(fā)展，催生了21世紀工程學和生物科學交叉領(lǐng)域的合成生物學。當前，合成生物學廣泛應用于環(huán)境、可再生能源、人體健康及藥物領(lǐng)域，由方興未艾快步走向飛速發(fā)展階段。本文將在介紹合成生物學發(fā)展進程的基礎(chǔ)上，著重就其在青蒿二烯、紫杉二烯2種合成藥物上的應用進行討論，并對合成生物學的發(fā)展前景進行展望。

合成生物學；醫(yī)藥應用；青蒿二烯；紫杉二烯

合成生物學是伴隨科技發(fā)展，衍生出的一門新興的交叉學科，逐漸由方興未艾到了快速發(fā)展的階段。近年來，合成生物學在生命再造領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展。2010年，著名的生物學家漢密爾頓·史密斯和克雷格·文特爾在權(quán)威的學術(shù)期刊《科學》上成功宣布人類首個“人造細胞生物”——完整的細菌染色體，這種生物便是化學合成方法的應用成果。后來，他們順利將這一成果應用到去除山羊支元體細胞內(nèi)的原基因組，受到了生物學研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

1 合成生物學的發(fā)展進程

合成生物學源遠流長，經(jīng)歷了將近一個世紀的發(fā)展歷程。

1.1 概念的提出

合成生物學字眼的出現(xiàn)，還是1911年著名醫(yī)學刊物《柳葉刀》中的一篇書評，60年后的1974年，波蘭遺傳學家Waclaw Szybalski首次提出了合成生物學的概念[1]。合成生物學概念的再次提出是在2000年美國化學年會上。會上，Kool站在系統(tǒng)生物學遺傳工程的角度，重新提出了合成生物學的概念，他認為合成生物學應定義為建立在系統(tǒng)生物學遺傳工程之上的一種人工設計和合成學科。

1.2 學科領(lǐng)域的誕生

著名的《自然》雜志，于2000年1月，發(fā)表了2篇由Gardner、Elowitz等撰寫的基于大腸桿菌的基因開關(guān)（Toggle Switch）、合成的雙穩(wěn)態(tài)基因調(diào)控網(wǎng)絡和第一個合成生物振蕩器——壓縮震蕩子的文章。這兩篇論文的發(fā)表，標志著合成生物學作為一個新領(lǐng)域誕生[2]。2002年，歷史上第一個人工合成的生物脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組被Wimmer小組制造產(chǎn)生，這個成果開創(chuàng)了無生命合成感染性病毒的先例。

1.3 學科層次的完善與發(fā)展

2005年，美國Cellincon合成生物公司成立和麻省理工學院Endy對“標準化”“概念抽象化”等做法的提出，將涉及生物系統(tǒng)的合成生物學分為了部件、DNA、系統(tǒng)與裝置4個層次。隨著合成生物學的發(fā)展，在2005年，Endy等借助國際遺傳工程機器大賽在生物模塊（BioBrick）登記處收集了生物標準化零件，這驗證了合成生物學在工程設計領(lǐng)域得到前所未有的發(fā)展。

1.4 人造細胞技術(shù)的里程碑式發(fā)展

2010年，合成生物學領(lǐng)域人造細胞工程得到了開創(chuàng)性的進步。標志性的成就便是文特爾成功實現(xiàn)了支原體基因組到山羊支原體細胞內(nèi)除原基因組的轉(zhuǎn)入，生命體基因組的自我復制和新生菌株生存能力得到順利獲取，制造出了人類歷史上第一個人造基因組活細胞，在合成生物學發(fā)展歷程上具有里程碑式的意義。

2 合成生物學在醫(yī)藥方面的應用

2.1 青蒿二烯的生物合成

合成生物學應用于醫(yī)藥開發(fā)，較為典型的是用于青蒿二烯的合成。2003年，杰伊·科斯林團隊成功研究出了制造青蒿二烯的新方式，用于抵抗瘧疾。他們在完成新基因資料的收集工作后，分2種方法在大腸桿菌中合成青蒿二烯。第一種方式是以Acetyl-CoA為出發(fā)點，采取脫離大腸桿菌原本的G3P和乙酰甲酸的前身來制造ⅠPP，相比傳統(tǒng)的異戊二烯焦磷酸DXP研究方法，能讓細胞在新方式代謝出異戊二烯焦磷酸分子，為后續(xù)制造提供更多的底物分子。第二種方式是以C5的異戊二烯焦磷酸為出發(fā)點，結(jié)合ADS酶的作用，以戊二烯鏈拉長方式C15的FPP作用下制造出青蒿二烯，并且可達到最高形成量122mg/L。青蒿二烯上下游合成模式都來自于真核生物的代謝功能，同時生成于原核生物大腸桿菌中，實現(xiàn)了生物制造的新方式。

2006年，Keasling小組把酵母菌作為宿主，將酵母內(nèi)源Aacetyl-CoA到法尼基焦磷酸的基因進行上下調(diào)整，并加入經(jīng)過基因優(yōu)化的外源模塊，最終成功促進了青蒿二烯產(chǎn)量的提高。在具體操作中，可采取兩種措施對內(nèi)源基因進行上調(diào)，第一種方法為增加基因的copy number，第二種方法則是借助轉(zhuǎn)錄因子對基因的表達量進行上調(diào)。而在內(nèi)源基因的下調(diào)上，主要采取基因敲除方法，即采取一系列微調(diào)手段對合成路徑中的基因進行調(diào)整，令其產(chǎn)量達到153mg/L，產(chǎn)量較之過往報道中的二烯類分子產(chǎn)量高近500倍。青蒿二烯藥物在大腸桿菌中的兩種方法的成功合成，通過基因模塊優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)了合成藥物的產(chǎn)量提升。

2.2 紫杉二烯的生物合成

2010年，格雷戈里·斯迪法諾普洛斯率領(lǐng)的研究小組在大腸桿菌的研究中成功合成了抗癌藥物Paclitaxel的前體紫杉二烯，這是該小組成員對大腸埃希氏菌細胞微調(diào)和萜類化合物新陳代謝途徑長期研究的成果[3]。該小組成員將內(nèi)源的規(guī)聚丙烯類物質(zhì)的合成途徑視作上游模塊，并且將紫杉二烯的合成視為下游模塊，其研究重點則在于如何對上游規(guī)聚丙烯類物質(zhì)的合成與下游紫杉二烯的合成進行微調(diào)。

該研究小組通過啟動子強度以及改變質(zhì)粒拷貝數(shù)的辦法對上下游模塊的通量比例進行微調(diào)處理。在查閱整理大量相關(guān)文獻以及做好前期準備測試工作的基礎(chǔ)上，格雷戈里·斯迪法諾普洛斯研究小組分別確定了3種質(zhì)粒的拷貝數(shù)和3種啟動子的強度，其中PSC101的拷貝數(shù)5，P15A的拷貝數(shù)是10，PBR的拷貝數(shù)是20，而且整個基因組內(nèi)的融合基因的拷貝數(shù)為1，Trc的強度為1，T5的強度為2，T7的強度為5。

通過對上述幾類啟動子與質(zhì)粒的組合搭配，對上下游模塊通量進行微調(diào)，然后檢測上下游通量比例的變化造成的細胞內(nèi)產(chǎn)物產(chǎn)量變化。在通量微調(diào)中，模塊內(nèi)部基因販子順序的表達形式也是影響產(chǎn)物產(chǎn)量的重要因素。經(jīng)過一系列的組合與微調(diào)，從而取得具有最有形狀的菌株，產(chǎn)物產(chǎn)量高達1 020±80mg/L，進而成功實現(xiàn)對于碳代謝流的協(xié)調(diào)與高效利用。與此同時，該研究小組利用蛋白工程手段對細胞色素P450進行氧化還原酶的改造，這是工程菌異源表達的初次成功。通過組合與微調(diào)，合成生物學成功實現(xiàn)了抗癌藥物Paclitaxel的前體紫杉二烯的合成、產(chǎn)量的提升、工程菌異源的成功表達。

3 展望

合成生物學研究成果除了成功應用于本文中大腸桿菌中青蒿二烯合成藥物和抗癌藥物的前體紫杉二烯的開發(fā)與優(yōu)化，在醫(yī)藥的疫苗生產(chǎn)、生物傳感器研發(fā)、新藥研究等領(lǐng)域也展現(xiàn)了廣泛的應用前景，這些都離不開合成生物學的發(fā)展與支持。在生物合成學不斷成熟的背景下，其必將促進整個醫(yī)藥領(lǐng)域的進一步發(fā)展。伴隨生物技術(shù)的發(fā)展，合成生物學有了充分的條件進行細胞的人工大尺度改造，基因組DNA合成技術(shù)、自動化重組技術(shù)和微流體技術(shù)等技術(shù)為創(chuàng)造和生產(chǎn)新型生物產(chǎn)品提供了堅強的技術(shù)保障。

在應用擴展的同時，合成生物學的發(fā)展也面臨一些發(fā)展瓶頸。就DNA合成技術(shù)來講，如ENEART公司在合成服務上，對每對堿基定價為0.39美元，但仍不能做到高度保真和效用，DNA大片段基因組的低成本合成仍不能實現(xiàn)。在應用合成生物學制造新生物和新產(chǎn)品時，研究者將持續(xù)遇到這些棘手的問題，尋求得到突破性進展，以保證細胞合成的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、可控和高效。

[1]母彩霞,俞文彬.合成生物學在醫(yī)藥中的應用[J].應用科技,2014,41(13):277.

[2]白衛(wèi)東,沈穎,劉曉艷,等.響應面優(yōu)化荔枝酒混菌發(fā)酵工藝的研究[J].河南工業(yè)大學學報(自然科學版),2013,34(1):57-62.

[3]Nakagawa A,Minami H,Kim J S,et al.A bacterial platformfor fermentative production of plant alkaloids[J].NatCommun,2011,2(2):326-327.

Application of Synthetic Biology in Medicine

Yin Yi1,Liu Ji-ke2
(1.Changsha Changjun High School,Hunan Changsha 410013;2.Changsha Planning Information Service Center,Hunan Changsha 410000)

With the development of natural science,the synthetic biology in the field of engineering and biological science was born in twenty-first Century.At present,synthetic biology is widely used in the fields of environment,renewable energy,human health and medicine.On the basis of introducing the development of synthetic biology,this paper focused on the discussion of the application of two kinds of synthetic drugs in the synthesis of artesunate and taxanes,the prospect of synthetic biology is also prospected.

Synthetic biology;Medical application;Artesunate;Taxane

TQ460.1

A

2096-0387（2017）03-0108-03

尹怡（2000-），男，漢，湖南洪江人，研究方向：醫(yī)藥。