天然產物製造——合成生物已成主流

天然產物有哪幾類

目前，天然產物類藥物的銷售額已佔全球醫藥銷售總額的30%，而且還以每年15%的速度增長，在這樣的趨勢下，傳統的種植業提取天然產物已經難以滿足社會發展需求。此外，多數天然產物結構複雜，利用化學合成途徑繁瑣，得率低、能耗高、汙染重，難以實現環境友好的規模化生產。因此，藉助合成生物學，構建合理的合成途徑及菌種生產天然產物為其產業長久發展提供了新的思路。

合成生物學中的天然產物

天然產物一般指分子量小於2000Da的代謝物，廣泛存在於動物、植物、微生物等各種生物中，一直是合成生物學的研究熱點。透過合成生物學的思路與技術，在微生物細胞中快速、高效地獲得天然產物，不僅大大降低了生產成本，也為保護珍稀動植物資源、藥物開發提供了新的途徑。哈佛大學醫學院教授Seyedsayamdost和Clardy將天然產物與合成生物學的結合研究劃分為3個主要領域：

（ⅰ）

對已知產物的研究。

在青蒿素或香草酸的藥物中，目標化合物的化學成分及其生物合成途徑是眾所周知的，代謝工程的主要目標是改進生產，而且往往是在比天然藥物更容易控制的宿主體內進行。

（ⅱ）

對存在的未知化合物的研究。

未知化合物的存在很容易從細菌基因組的分析中推斷出來，但尚未被發現；在這些情況下，合成生物學的貢獻主要是喚醒隱秘代謝物的生物合成，促進它們的化學和功能表徵，並最終利用已知的方法實現其過量生產。

（ⅲ）

篩選“未知的未知”。

大量基於當前基因組的發現方法還不能被發現的屬於新的化學類別的分子。

微生物系統工程用於提高天然產物的生產是合成生物學方法最有效和最普遍的應用之一，主要包括三個要素：

（ⅰ）

挖掘與最佳化特徵元件。

除啟動子、終止子等主要控制基因表達的基因元件外，鑑定和最佳化植物天然產物生物合成途徑中的關鍵基因元件是應用合成生物學技術革新天然產物生產方式的核心和源頭。

（ⅱ）

最佳化生物合成途徑。

利用基因元件在宿主細胞中進行異源生物合成途徑的重建，一般需要考慮多種影響途徑合成效率的因素，如物質和能量的平衡、異源代謝產物對宿主細胞生理效能的影響（毒性）、異源代謝產物、功能酶、生物途徑及宿主細胞之間的相容性等多個方面。

（ⅲ）

提升細胞工廠效能。

細胞工廠綜合效率的提高受很多因素影響，包括高效的原料利用率、產物的儲存能力、優秀的發酵效能等多個方面。

基於合成生物學的原理，設計和建立人工合成細胞發酵生產植物天然產物，既能有效控制原料供給，又能保護自然資源及環境，其作為一種綠色高效的新型生產模式已被科學界及工業界認可。近年來，隨著合成生物學的飛速發展，微生物合成植物源天然產物的種類不斷增多，產量也在逐年攀升。

天然產物的合成生物製造進展

一、天然產物合成生物製造國際進展

近年來，全球研究人員在植物天然產物的合成生物學領域取得了多項成果，成功建立了萜類化合物和苯丙素類等植物天然產物的人工合成，萜類化合物之一的青蒿素就是成功的典範。青蒿素是目前最有效的抗瘧疾藥物之一，然而透過植物提取得到青蒿素的產量較少，難以普及使用。加州大學伯克利分校Jay Keasling教授團隊透過十多年努力，花費超過5000 萬美元，終於將青蒿素的生物合成工藝工業化，實現了規模化量產。

▲ 黃花青蒿及其提取出的青蒿素

（圖源：網路）

抗癌藥物紫杉醇是備受關注的另一個重要案例，將設計改造的紫杉二烯合成酶匯入大腸桿菌中，並對功能模組進行精確調控，獲得生產紫杉醇前體化合物-紫杉二烯的菌種，產量比以前報道的提高了萬倍以上。

▲ 紅豆杉及其提取出的紫杉醇

（圖源：網路）

在鎮痛藥物的生產方面，透過利用改造的酵母從糖中直接生產阿片類化合物的蒂巴因和氫可酮以及那可丁的方法，整個過程大約只需3-5 天，可顯著地縮短其生產週期；在俗稱“腦黃金”的DHA長鏈脂肪酸生產方面，在產油酵母解脂耶氏酵母中設計和構建了人工不飽和脂肪酸（PUFA）生物合成基因簇，最終在磷酸鹽限制條件下，營養篩選可使PUFA產量大大增強，在已報道PUFA生產的解脂耶氏酵母菌株中，該研究所獲得總脂肪酸中DHA（16。8％）含量最高。

研究人員透過將大麻素前體大麻萜酚酸（CBGA）合成途徑匯入酵母細胞，並透過替換植物來源的異戊二烯轉移酶成功實現CBGA 工程微生物體內合成的突破，藉助合成生物學透過使用發酵罐合成出需要經過人工6 個月才能種植提取出來的大麻素，這又是合成生物製造領域的一個突破性進展。

二、天然產物合成生物製造國內進展

我國在植物天然產物生物製造方面已經取得了眾多進展。人參皂苷是是一種固醇類化合物，被視為是人參中的活性成分，具有抗腫瘤等功能。目前人工栽培人參、西洋參生產的人參皂苷類化合物產量已經遠不能滿足社會的需求，亟待需要提供新的資源途徑。

▲ 人參、人參提取物及其下游產品

（圖源：網路）

透過在釀酒酵母中構建原人參二醇的全新生物合成途徑，結合關鍵基因的表達活性改造提升及雙相發酵工藝最佳化，原人參二醇的產量提高到1 g/L；隨後，獲得了能同時合成齊墩果酸、原人參二醇和原人參三醇3 種人參基本皂苷元的第一代“人參酵母”。透過分子工程、過表達關鍵酶基因、定向進化等工程策略構建人參皂苷酵母細胞，提升前體物碳供應、目標產物轉化率，最終可實現搖瓶179。3 mg/L及批式添加發酵2。25 g/L 的歷史突破，一千平米車間裡“人參酵母”生產人參皂苷的能力相當於十萬畝人參種植，成本是人參種植提取的四分之一。

其他天然產物如β-胡蘿蔔素、番茄紅素、天麻素、紅景天苷等在合成生物製造方面也取得了巨大的進展，這樣的發展趨勢必將顛覆傳統種植提取模式。

三、唯鉑萊天然產物的合成生物製造

唯鉑萊以合成生物學研究為基礎，依託中美兩國團隊，整合中美兩國在技術研發、資訊資源、市場資源和產業資源等方面優勢，充分利用基因工程、酶工程、代謝工程、發酵工程、AI技術、大資料等創新技術，實現了多個系列產品的規模化生產和銷售，如羥基酪醇、咖啡酸、煙醯胺、γ-氨基丁酸、原兒茶酸等，被廣泛應用於醫藥、半導體材料、食品材料、日化、紡織、農業保健品等多個領域，致力於成為綠色生物智造領導者，引領行業變革。

▲ 唯鉑萊部分天然產物

參考資料：

1、嚴偉，信豐學，董維亮，等。 合成生物學及其研究進展［J］。 生物學雜誌， 2020（5）。

2、王清，陳依軍。 天然產物成藥性的合成生物學改良［J］。 合成生物學， 2020， v。1（05）：85-94。

3、王偉， 李韶靜， 朱天慧，等。 天然藥物化學史話：天然產物的生物合成［J］。 中草藥，2018， v。49；No。625（14）：6-20。

4、匡雪君， 鄒麗秋， 孫超，等。 天然產物合成生物學體系的最佳化策略［J］。 生物技術通報， 2017（1）。

封面：源自網路圖片裁剪

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