應(yīng)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(shè)計、半理性設(shè)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(jié)構(gòu)和功能空間；在此基礎(chǔ)上，對微生物代謝途徑進行重新編程及高效適配，設(shè)計和構(gòu)建了天然/非天然產(chǎn)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(guān)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(shù)刊物上發(fā)表論文近百篇。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：微生物藥物作為現(xiàn)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(guān)，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(chǎn)物。微生物藥物長期作為現(xiàn)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(xiàn)從21世紀四五十年代的黃金期轉(zhuǎn)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(yīng)用中抗生素的廣泛使用甚至出現(xiàn)濫用的現(xiàn)象，篩選出了一批批的超級耐藥菌，導(dǎo)致了嚴峻的形勢。我國一直都是抗生素的生產(chǎn)及使用大國，因此瞄準交叉科學前沿、應(yīng)用多學科交叉?？茖W高效地建立和完善微生物藥物創(chuàng)新和優(yōu)產(chǎn)的新模式、發(fā)展現(xiàn)代生物高新技術(shù)、推動微生物藥物產(chǎn)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(xiàn)，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(shù)為主要支撐的微生物藥物的開發(fā)和生產(chǎn)。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(xiàn)高產(chǎn)或得到活性優(yōu)良的衍生物；基因組測序技術(shù)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(xiàn)建立潛在藥物靶標；應(yīng)用高通量的蛋白組學和代謝組學的技術(shù)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(chǎn)量。在這些新技術(shù)、新策略的推動下，微生物藥物的發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了成績，獲得了新功效和新結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhì)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(shè)計產(chǎn)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(xiàn)高產(chǎn)。通過導(dǎo)入外源的合成基因及理性設(shè)計，最終青蒿酸產(chǎn)量達到25g/L，進一步通過簡單的四步化學反應(yīng)就能合成出終產(chǎn)物青蒿素 ，非常接近工業(yè)化生產(chǎn)的所需條件。相信合成生物學技術(shù)不僅為傳統(tǒng)微生物藥物品種創(chuàng)新和優(yōu)產(chǎn)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(xiàn)重要作用，必將促進健康和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效應(yīng)。

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

馮雁：由于我國微生物藥物研究基礎(chǔ)較為雄厚，對微生物藥物代謝途徑解析、途徑重構(gòu)、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(lǐng)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(shè)計、模塊構(gòu)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(xiàn)了傳統(tǒng)植物中藥成分的微生物生產(chǎn)。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(diào)控機制，為這些藥物的結(jié)構(gòu)衍生積累了多個結(jié)構(gòu)元件和調(diào)控元件。我們“973”項目子課題組以具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(chǎn)專用底盤細胞。我們“973”項目組還開發(fā)了RxnFinder的在線數(shù)據(jù)庫，集成了 50 000條生物合成反應(yīng)，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(shè)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(chǎn)，我國目前在應(yīng)用合成生物學與微生物藥物領(lǐng)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)變革，相信這一天不會遙遠。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：多種新流行性疾病和耐藥菌株的出現(xiàn)，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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)都受到高度關(guān)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(chǔ)，旨在以工程學中的模塊化和系統(tǒng)化設(shè)計理論，設(shè)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(chǎn)，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(jīng)過多步酶催化獲得終產(chǎn)物，而且大多數(shù)生物合成基因在微生物體內(nèi)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(chǎn)物，而且產(chǎn)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(chǔ)上，對重要催化及調(diào)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(xiàn)優(yōu)產(chǎn)；而且對調(diào)控元件標準化后，人工設(shè)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(xiàn)優(yōu)產(chǎn)；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(chǎn)生新結(jié)構(gòu)化合物，可實現(xiàn)藥物創(chuàng)新。

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

馮雁：應(yīng)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(guān)鍵科學問題：在組學基礎(chǔ)上，如何喚醒“沉默”基因簇，如何有效地構(gòu)建具有多物種來源的生物元件庫，生物催化及調(diào)控元件功效的數(shù)量控制，合成設(shè)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(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)集成。目前主要的研究方向有三：其一是對現(xiàn)有大宗微生物藥物合成途徑的優(yōu)化設(shè)計，即通過分子工程對每個元件進行標準化設(shè)計及系統(tǒng)優(yōu)化，最終實現(xiàn)藥物高產(chǎn)；其二是對動、植物源小分子藥物進行途徑再設(shè)計，應(yīng)用微生物實現(xiàn)高產(chǎn)；其三是重新設(shè)計新結(jié)構(gòu)化合物，產(chǎn)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(shù)的應(yīng)用，將會給藥物合成帶來突破性的革命。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：您主要負責和參與的“微生物藥物創(chuàng)新與優(yōu)產(chǎn)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(shè)計合成的分子基礎(chǔ)，探索工程化設(shè)計生物合成體系高效適配性的策略，構(gòu)建適于微生物藥物合成的優(yōu)質(zhì)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(yīng)用基礎(chǔ)研究在整體上步入國際前沿水平。經(jīng)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(guān)鍵基因；建立了世界上最全面的生物合成反應(yīng)數(shù)據(jù)RxnFinder，為定向挖掘酶基因元件提供了指導(dǎo)；發(fā)展了依據(jù)酶家族信息、以Key-motif為指導(dǎo)的新功能元件優(yōu)化策略；重構(gòu)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(nèi)外實現(xiàn)了異源多酶高效催化、結(jié)構(gòu)有序的納米多酶二維組裝體；將CRISPR/Cas9和反向篩選系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)了高效放線菌基因編輯技術(shù)體系；構(gòu)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(shè)計獲得活性更優(yōu)的新結(jié)構(gòu)化合物，如具有抗寄生蟲活性的抗生素A33853新結(jié)構(gòu)衍生物；一些人工構(gòu)建的生物合成產(chǎn)品，如達托霉素、那他霉素等工程菌株已經(jīng)成功進入放大生產(chǎn)階段。

總體來看，合成生物學經(jīng)過幾年的工作積累，現(xiàn)在漸入佳境。我們已建立了藥物合成生物學相關(guān)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(shè)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(chǔ)。

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《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：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(guān)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(guān)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(lǐng)先或首創(chuàng)水平，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型變革奠定了基礎(chǔ)。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(shù)體系，實現(xiàn)系統(tǒng)化、規(guī)?；?、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(shù)體系；③針對重大產(chǎn)品集中攻關(guān)，建立優(yōu)化、協(xié)調(diào)的人工生物合成系統(tǒng)，促進生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.06.002