利用工程酵母合成抗癌药物长春碱及长春新碱

2019年夏秋两季，一些癌症患者突然经历了治疗中断，原因是长春碱和长春新碱药物出现短缺——这两种药物是马达加斯加长春花的天然产物，常用于癌症化疗。

长春碱由长春花中的两种天然活性成分文多林（vindoline）和长春花碱（catharanthine）共同形成，是一种单萜吲哚生物碱 (Monoterpene Indole Alkaloids，MIA)。

由于MIA难以化学合成，长期以来，长春碱的供应都依赖于从植物中低产量提取和纯化其前体获得。虽然这种植物很常见，但生产1g长春碱需要2000kg以上的干叶才能满足，从2019年持续到2021年的药物短缺，也主要就是由这些原料供应的延迟造成的。

近日，DTU Jay D. Keasling教授团队发现了一种新的合成方法来制造这些药物，该团队使用高度工程化的酵母从头合成文多林和长春花碱，然后通过纯化和偶联这两种前体形成长春碱。

相关研究成果以A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine为题发表在Nature上。

该研究完全独立于影响作物种植的因素（如植物病害和自然灾害），同时，由于制造这些化合物的基本成分是面包酵母、糖和氨基酸等简单的可再生基质，因此生产也不太容易受到流行病和全球物流变化的影响。

长春碱的生物合成

DTU高级研究员、该研究的通讯作者之一Michael K. Jensen称，生物合成是可行的第三种方法，因为化学合成难以规模化，而自然资源又是有限的。

事实上，关于长春碱的这项研究于2015年就开始推进，但当时长春碱的完整生物合成途径还是未知的，团队也并未意识到该药物未来可能面临的短缺，而是基于验证微生物制造所有MIA的可行性的目的选择了长春碱——已知的植物化学中最复杂的化学品之一，生成过程涉及30多个酶促反应。

这也成为了本研究的挑战，即如何对单个酵母进行编程以实现这30多个酶促反应，同时确保重新编程的细胞可以按需发挥作用并自我维持。

31 步长春碱生成途径复杂，该研究在酵母中构建的代谢途径，也成为了有史以来在微生物中重构的最长的生物合成途径。

如图所示，途径包括来自色氨酸和香叶基焦磷酸 (GPP) 的双入口前体供应，以及长春碱生物合成与文多林和长春花碱供应之间的分歧。在C.roseus中，酶定位在至少五个区室中，即细胞质、质体（香叶醇合酶）、内质网（细胞色素 P450 及其还原酶）、细胞核（严格糖苷-O -β- D-葡萄糖苷酶，SGD）和液泡（严格糖苷合酶，STR），因此涉及不同组织和细胞类型之间的运输。

为重构该途径，研究者总共进行了 56 次基因编辑，包括从植物中表达 34 个异源基因，以及删除、敲低和过表达 10 个酵母基因，以改善从头生产长春碱和长春碱的前体供应，从中半合成长春碱发生。

酵母在药物生产中的前景

该研究是项展示这些抗癌基本药物全新供应链的研究，同时也进一步强调了合成生物学的最新进展——利用工程酵母进行药物生产。

Jay D.Keasling教授表示，作为有史以来在微生物中重构的最长的生物合成途径，这项工作表明，几乎可以从任何生物体中提取非常长而复杂的代谢途径，并在酵母中重构，以提供急需的治疗方法。

由于酵母本身具有可扩展性，因此团队预计，酵母细胞将成为一个可扩展的平台，在未来生产3000多种自然发生的MIA和数百万种新的自然类似物，包括化疗药物长春新碱、伊立替康和拓扑替康等等。

本研究成功地实现了通过酵母及廉价和可再生的基质生产来自工业规模发酵罐中的植物药物，能缓解未来药物供应的短缺，并提供一个更可持续、更具经济性且不依赖于养殖或稀有生物的药物研发途径。