李旭恒

西華大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院 四川 成都 611700

背景

紫杉醇（Paclitaxel）是一種存在于紅豆杉屬植物中復(fù)雜的次生代謝產(chǎn)物，是從紅豆杉樹皮中分離純化得到的一種二萜類化合物,分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有一個(gè)16碳的四環(huán)骨架并含有11個(gè)手性中心，分子式 C47H51NO14，白色粉末，易溶于甲醇和乙醇，微溶于乙醚，不溶于水[1]。紫杉醇在植物體內(nèi)的含量低，類似物多，使紫杉醇的分離難度大，僅依靠從植株中提取小劑量的紫杉醇無(wú)法滿足龐大的市場(chǎng)需求，隨化學(xué)工程和生物工程等理論的進(jìn)步，紫杉醇的生產(chǎn)變得多樣化。當(dāng)前，紫杉醇的生產(chǎn)方法主要有化學(xué)合成法，半合成法，植物細(xì)胞培養(yǎng)，異源表達(dá)系統(tǒng)。

1 紫杉醇的多種生產(chǎn)方法

1.1 紫杉醇的全合成方法

紫杉醇的全合成方法是通過(guò)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，利用原料逐步設(shè)計(jì)路線合成獲得所需分子，技術(shù)要求高。Holton等在1994年發(fā)現(xiàn)了紫杉醇的首條全合成路線，采用線性合成策略，依次構(gòu)造紫杉醇分子的三個(gè)碳環(huán)骨架，隨后向內(nèi)引入和修飾官能團(tuán)，最后引入C13位置的側(cè)鏈得到紫杉醇分子[2]；Nicolaou等通過(guò)匯聚策略，以Diela-Alder反應(yīng)先將A，C兩環(huán)的部分合成，再經(jīng)多步反應(yīng)，同樣在C13處連接側(cè)鏈得到紫杉醇分子。此類方法率先合成了紫杉醇，但有機(jī)合成的步驟煩瑣，產(chǎn)率低下，帶有許多毒性的副產(chǎn)品，使紫杉醇難以批量生產(chǎn)。目前，紫杉醇的6-8-6骨架的合成成為熱點(diǎn)，Granja等基于二烯炔的多米諾復(fù)分解關(guān)環(huán)反應(yīng)高效合成了紫杉烷6-8-6環(huán)系化合物，這類反應(yīng)復(fù)雜度低于前者，產(chǎn)率高達(dá)61%，相較于傳統(tǒng)合成的產(chǎn)率有千倍的提升，但反應(yīng)導(dǎo)致的原料分解增加了原料浪費(fèi)度。

1.2 紫杉醇的半合成方法

半合成技術(shù)先從自然界中取到關(guān)鍵中間體，后進(jìn)行反應(yīng)修飾獲得所需產(chǎn)物，技術(shù)要求低。紫杉醇的半合成技術(shù)目前在商業(yè)上由Bristol Myers Squibb公司所應(yīng)用，此方法利用在紅豆杉中提取的巴卡亭Ⅲ或10-脫乙酰巴卡亭Ⅲ，通過(guò)多步轉(zhuǎn)化及引入側(cè)鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)紫杉醇的生產(chǎn)。其優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)過(guò)程少于全合成法，原料巴卡亭III在自然界中的含量遠(yuǎn)大于紫杉醇[2]，為減少成本和增大產(chǎn)量提供較為理想的方式，但生產(chǎn)取決于環(huán)境因素和原料純化的價(jià)格昂貴為紫杉醇的商業(yè)化生產(chǎn)也帶來(lái)了阻礙。

1.3 紫杉醇的異源表達(dá)系統(tǒng)

紫杉醇生物合成途徑的部分步驟已可以用異源表達(dá)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Qiulong Huang等通過(guò)IPP異構(gòu)酶，GGPP合酶以及TASY在大腸桿菌中的過(guò)量表達(dá)使紫杉二烯的產(chǎn)量達(dá)1.3 mg/L，標(biāo)示了通過(guò)途徑工程技術(shù)可以使非生產(chǎn)紫杉醇生物生產(chǎn)紫杉烷類化合物。其困難在于cP450在微生物系統(tǒng)中的表達(dá)中，會(huì)因錯(cuò)誤地折疊而失去功能。Wilson為了生產(chǎn)紫杉二烯-5a-乙酰氧基-10bol，在釀酒酵母中表達(dá)了五個(gè)順序的紫杉醇生物合成基因，但僅觀察到了高的紫杉二烯水平。Jennewein表示該途徑被最初的cP450羥基化限制，可能需要與其同源的cP450還原酶共同表達(dá)才能發(fā)揮作用。用微生物宿主來(lái)合成紫杉醇僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平，微生物代謝的通路和原理復(fù)雜，給紫杉醇的批量生產(chǎn)制造了障礙，較于化學(xué)合成固定的途徑，微生物可以在未來(lái)被基因工程等方式改造來(lái)達(dá)到紫杉醇生產(chǎn)的商業(yè)化，前景較為廣。

1.4 紫杉醇的植物組織培養(yǎng)

利用植物組織培養(yǎng)批量生產(chǎn)紫杉醇被認(rèn)為是一種可行的方法。植物組織培養(yǎng)不受地域和季節(jié)變化限制，擺脫了多變的自然條件，人為控制可以連續(xù)的提供品質(zhì)均一的紫杉醇；同時(shí)不產(chǎn)生毒副產(chǎn)物，環(huán)境友好，還可根據(jù)不同部位的營(yíng)養(yǎng)需求精確設(shè)置營(yíng)養(yǎng)條件，使植株生長(zhǎng)較快，周期短。植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)紫杉醇的首個(gè)專利在1991年提交[4]，產(chǎn)量達(dá)1～3mg/L。Eun-Kyong Lee等利用先天未分化的形成層分生組織細(xì)胞（CMC）進(jìn)行培養(yǎng)，此類細(xì)胞的生長(zhǎng)變異性低，聚集體較小，對(duì)剪應(yīng)力不敏感。使得其紫杉醇的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的去分化細(xì)胞（DDC），為可持續(xù)生產(chǎn)提供經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)保的平臺(tái)。徐志榮以南方紅豆杉一年生枝條誘導(dǎo)愈傷組織，建立了細(xì)胞懸浮培養(yǎng)體系[3]，發(fā)現(xiàn)適合紫杉醇合成的理化條件。此類研究為紫杉醇未來(lái)的擴(kuò)大生產(chǎn)提供參考。

2 展望

全合成途徑的復(fù)雜與成本昂貴，此方法生產(chǎn)大批量的紫杉醇難以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前可行的方案有半合成方法和植物組織培養(yǎng)。目前商業(yè)上所使用的多為半合成法，植物組織培養(yǎng)配合于控制技術(shù)的完善，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。目前，在大規(guī)模的生產(chǎn)器中保證細(xì)胞或植株的活性與產(chǎn)量是一大問(wèn)題；隨代謝工程進(jìn)入人們的視野，可以改善紫杉醇的生物合成路線使產(chǎn)物在細(xì)胞中高效表達(dá)從而達(dá)到大規(guī)模的生產(chǎn)?？傊仙即嫉拇笠?guī)模生產(chǎn)仍需要多學(xué)科的交匯，將此“癌癥殺手”進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)達(dá)到社會(huì)的需求仍是科學(xué)研究的一大目標(biāo)。