微生物藥物的合成生物學(xué)研究進(jìn)展

＊?jiǎng)㈡骆?石向前 呂憲峰

（1.濰坊學(xué)院化學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院 山東 261061 2.聊城大學(xué) 山東 252000 3.山東聊城阿華制藥股份有限公司 山東 252000）

前言

合成生物學(xué)是基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成。合成生物學(xué)作為第三代革命性生物技術(shù)的代表，在如今自然資源越來越少的背景下，其重要性日漸凸顯，在生物學(xué)的各個(gè)方面都發(fā)揮著重要的實(shí)際應(yīng)用意義，特別是在微生物藥物的研發(fā)合成方面，無論是從疾病診斷試劑，還是生物材料研發(fā)，都有非常凸顯的作用。

1.當(dāng)前合成生物學(xué)的重點(diǎn)成果

(1)有關(guān)合成生命方面的成果

合成生命的研究工作早在2003年就已經(jīng)進(jìn)行，并且取得了比較顯著的成效，Craig Venter的基因組合成研究團(tuán)隊(duì)，在2003年就對(duì)基因組合成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并且有了想法之后，兩個(gè)星期內(nèi)就設(shè)計(jì)了基因組合成的流程[1]；在2010年時(shí)，更是進(jìn)行了一次偉大的創(chuàng)舉，將人工合成的基因組轉(zhuǎn)移到M.capricolum細(xì)胞中，這個(gè)細(xì)胞進(jìn)一步獲得了具有明顯活性的菌株，并在短時(shí)間內(nèi)將原有的蛋白體系進(jìn)行了替換[2]。

(2)有關(guān)生物能源方面的成果

合成生物學(xué)在生物能源上的應(yīng)用成果也比較顯著，從2008年開始，以Liao牽頭的研究小組就對(duì)大腸桿菌內(nèi)的高級(jí)醇合成發(fā)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)路徑，主要方法就是基因優(yōu)化、重組；次年，該研究團(tuán)隊(duì)又對(duì)生物能源分子的生產(chǎn)方式進(jìn)行了探索，通過對(duì)細(xì)長(zhǎng)聚球藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行一定程度上的基因重組，進(jìn)一步增加了二磷酸核酮糖羧化酶的表達(dá)量，并將大腸桿菌以及乳酸乳球菌等相關(guān)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)移，最后通過改變光照條件生產(chǎn)出了異丁醛產(chǎn)物。

(3)有關(guān)藥物合成方面的成果

Keasling[3]牽頭的研究小組在2003年經(jīng)過精密的實(shí)驗(yàn)，將新的青蒿二烯的合成途徑及方向打造了出來，這次成功的實(shí)驗(yàn)降低了生產(chǎn)抗瘧疾藥物的成本，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的非洲國(guó)家提供了抗瘧疾新的希望；過了3年，同樣是這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，通過研究將青蒿二烯的單位產(chǎn)量大大提高，主要方法就是上調(diào)乙酰輔酶A到FPP的關(guān)鍵基因；2010年，Stephanopoulos教授研究團(tuán)隊(duì)成功地合成了紫杉二烯，這是一種抗癌藥物的主要成分。

2.合成生物學(xué)在微生物藥物研究中的應(yīng)用

(1)氨基糖苷類抗生素

隨著合成生物學(xué)的興起，一些不受人們看重的“老藥”重新起到了重要的作用，比如氨基糖苷類抗生素，如今由于合成生物學(xué)的巨大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)合成了慶大霉素，這是一種氨基糖苷類的典型化合物。

另外一種β-糖苷酶抑制劑的開發(fā)非常的困難，馮雁教授課題組[4]利用獨(dú)特的方法設(shè)計(jì)出了β-糖苷酶的成分之一，即β-valienamine的人工合成途徑，主要利用的就是圓形芽孢桿菌中的轉(zhuǎn)移酶BtrR。阿卡波糖是治療糖尿病的重要藥物，但是由于其生物合成異常困難，導(dǎo)致發(fā)酵效價(jià)嚴(yán)重受阻，目前，白林泉研究小組對(duì)1-epi-valienol和valienol進(jìn)行了詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)其是合成阿卡波糖過程中的產(chǎn)物，在此發(fā)現(xiàn)之下，他們利用合成生物學(xué)的理念，將已有的合成路徑進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)阿卡波糖的代謝路徑進(jìn)行了比較合理的改善，成功將其產(chǎn)量提升到了7.4g/L。

(2)核苷類抗生素

核苷類抗生素大都應(yīng)用于農(nóng)業(yè)防蟲以及治療病毒性感染性疾病，化學(xué)結(jié)構(gòu)非常特別，雖然通過生物學(xué)方法合成比較簡(jiǎn)單，僅需要在堿基模塊中構(gòu)建出一種異常復(fù)雜的分子，但在其合成的期間會(huì)產(chǎn)生較多的多級(jí)酶聯(lián)反應(yīng)。隨著基因合成技術(shù)的進(jìn)步，核苷類抗生素的合成也已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，以陳文青為代表的研究小組研究出了氨甲?；鄄莅彼醄5]，這是多氧霉素中的一種成分，并實(shí)現(xiàn)了其合成路徑，將核苷類抗生素的可編輯的元件范圍大大增加。近日，陳文青等人又發(fā)現(xiàn)了一種新的靶向基因組的開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)了?？谛捂呔鶧SM45626和檸檬色鏈霉菌NBRC13005、助間型甲霉素三者的合成方法，給嘌呤類抗生素的生物合成提供了新的方向。

(3)核糖體肽

核糖體肽是一類生物產(chǎn)物，當(dāng)今發(fā)現(xiàn)的不同的核糖體肽共有20多種，每一種都具有自身的高獨(dú)特性，其內(nèi)部含有大量的硫肽類成分。第一個(gè)核糖體肽合成路徑被解析出來的種類是那西肽，在此基礎(chǔ)上，劉文研究小組對(duì)自由基S-腺苷甲硫氨酸（SAM）甲基轉(zhuǎn)移酶NosN進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了其他的功能，除了基礎(chǔ)的催化甲基轉(zhuǎn)移功能之外，還可以對(duì)聚噻唑基肽中間體進(jìn)行一定程度上的轉(zhuǎn)化，主要實(shí)現(xiàn)路徑是：首先，對(duì)S化偶聯(lián)的吲哚部分進(jìn)行功能化，從而構(gòu)建出一個(gè)碳單元，此單元與硫肽骨架結(jié)合在一起，形成一種酯鍵，最后，建立一個(gè)nosiheptide特有的側(cè)環(huán)系統(tǒng)，從而成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化[6]。對(duì)于核糖體肽其他種類的化合物也有研究，張琪研究小組以cypemycin為基礎(chǔ)對(duì)前體肽變成熟的構(gòu)效關(guān)系分析，過程中衍生出了大量的cypemycin突變體，這項(xiàng)成果直接顯示出了生物合成技術(shù)在核糖體肽潛力挖掘方面的巨大成就。

3.合成生物學(xué)對(duì)微生物藥物發(fā)展的作用和意義

(1)合成生物學(xué)技術(shù)為微生物藥物發(fā)展提供了新的機(jī)遇

目前在現(xiàn)有科學(xué)家對(duì)合成生物學(xué)技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，微生物藥學(xué)領(lǐng)域得到了大量的開發(fā)論證，很多新的微生物藥物應(yīng)運(yùn)而生，其主要的實(shí)現(xiàn)途徑就是通過微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物為研究根基，然后與組合生物進(jìn)行生物學(xué)合成[7]。合成的微生物藥物如今已被大量的應(yīng)用在實(shí)際病癥治療中，比如說青霉素，在生物合成技術(shù)沒有出現(xiàn)之前，微生物藥物研發(fā)成本極其高昂，而且在研發(fā)過程中，還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，但是在引入生物合成技術(shù)時(shí)，這些缺陷已被大大緩解，因此，合成生物學(xué)技術(shù)給微生物藥物發(fā)展帶來了更有優(yōu)勢(shì)的研發(fā)途徑。

(2)合成生物學(xué)促使微生物新次級(jí)代謝產(chǎn)物研發(fā)的進(jìn)程

對(duì)于微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的研究，特別是對(duì)合成基因簇中的眾多編碼信息，如果使用傳統(tǒng)的提取技術(shù)，會(huì)異常繁瑣和艱難，但是在DNA測(cè)序技術(shù)不斷進(jìn)步的前提下，運(yùn)用生物合成技術(shù)，將基因簇中的編碼信息進(jìn)行提取已經(jīng)變得比較容易。比如對(duì)于生物酶的合成，就必須要用生物合成技術(shù)，對(duì)微生物的基因組DNA進(jìn)行合理的增刪，而這對(duì)于常規(guī)合成技術(shù)來說，難度非常大，并且通過這種技術(shù)，還能進(jìn)一步研發(fā)出新的微生物藥物，因此，合成生物學(xué)可以促使微生物新次級(jí)代謝產(chǎn)物研發(fā)的進(jìn)程。

(3)合成生物學(xué)技術(shù)在微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物創(chuàng)新再造方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值

合成生物學(xué)技術(shù)在提高藥物活性方面，具有較明顯的效果[8]。微生物的細(xì)胞內(nèi)組織結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，將其進(jìn)行基因重組可以產(chǎn)生無限的可能性，而合成生物學(xué)技術(shù)為其提供了可實(shí)現(xiàn)的路徑，將微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，從而提高其藥物活性，在藥物治療方面的效果大大增強(qiáng)，比如博來霉素與糖肽類抗生素這兩類藥物，單獨(dú)使用疾病治療效果不是很明顯，但是運(yùn)用生物合成技術(shù)，將它們進(jìn)行藥物合成，研發(fā)出雜合糖肽類抗生素，臨床效果倍增。因此，合成生物學(xué)技術(shù)在微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物創(chuàng)新再造方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

4.結(jié)束語

合成生物學(xué)技術(shù)體系比較龐大，目前還不是很完善，在將合成生物學(xué)用于微生物藥物合成和研究時(shí)，需要在不斷完善內(nèi)容體系的基礎(chǔ)上，持續(xù)進(jìn)行探索和研發(fā)工作，并科學(xué)合理的對(duì)待實(shí)驗(yàn)過程，只有合成生物學(xué)技術(shù)得到了進(jìn)一步的飛速發(fā)展，才能在未來對(duì)社會(huì)的各項(xiàng)領(lǐng)域產(chǎn)生重大的積極意義和價(jià)值。