用微生物制作癌症药物

使用植物治疗人类疾病

数千年来，植物的药物品质已被用来治疗人类疾病。虽然确切的时间范围不清楚，但考古研究建议草药是60，000年前练习的。在21期间^英石世纪，“常规”或“西方”实践主导了医学景观，这主要是由于化学合成药物的新能力。

“尽管目前对合成化学作为发现和制造药物的工具，但植物对疾病治疗和预防的贡献仍然是巨大的，”写信Ciddi Veeresham教授来自Kakatiya大学药学系。“即使在21的曙光中^英石世纪，世界卫生组织认为是基本和必不可少的252种药物中有11％是开花植物的起源。”

对于肿瘤学，基于植物的抗癌药已证明有助于与疾病的斗争，该疾病声称大约609,360生活仅在美国。示例基本的基于植物的抗癌化合物包括podophyllotoxin类似物，紫杉虫，文替兰和长春新碱。后两个是源自马达加斯加Periwinkle（MIAS）的单二烯吲哚生物碱（MIA）的例子（MIAS）（MIAS）（Catharanthus Roseus）。在细胞增殖过程中，葡萄碱通过与微管结合抑制细胞周期，从而防止了有丝分裂纺锤体的形成。它可以用作化学疗法剂治疗癌症，例如淋巴瘤，卵巢，乳腺癌，睾丸和肺癌。

尽管植物代表了新颖和潜在的治疗化合物的丰富来源，但它们的丰度是有限的，环境问题围绕着大规模的效用。

“一种有效的抗癌药物，称为紫杉醇（紫杉醇），是从太平洋紫杉树开发的。但是，它基于一种非常低的产量的化学物质。” 说 Melanie-Jayne Howes博士 ，在皇家植物园的研究负责人Kew。“必须砍伐数百棵树才能开发该药物。结果，这棵树现在被归类为几乎受到威胁。”

需求也远远超过可用性。例如，让我们看一下MIAS。葡萄碱和长春新碱分别需要500和2000千克干燥C. Roseus叶子合成1 g的活性产物，可以治疗大约10名患者。“我不用说，在依靠这些API的低收益植物提取时，必须耕种很多农作物。从本身上讲，这是有问题的。”迈克尔·克罗格·詹森博士，高级研究员Novo Nordisk生物固定性基金会（DTU BioSustain）。

替代生物合成途径

在短葡萄碱和长春新碱之后获得食品和药物管理局（FDA）批准在1960年代初期，探索了使用部分化学方法合成它们的方法。在1974年，科学家成功地耦合了产生生物活性葡萄蛋白所需的前体单体Vindoline和Catharanthine。但是，该过程并不简单。“生物碱的复杂化学主要来自其众多立体中心和反应性侧基。这使得完全合成，甚至半合成，在需要获得区域和对映射分子时尤其具有挑战性。”詹森说。

最终，从环境和财务角度来看，这些反癌药物的当前管道都是昂贵的。詹森进一步解释：“从植物中提取少量的VINCA生物碱采用严厉的化学作用。当涉及到社会经济方面，必须指出的是，即使政府和世界卫生组织采取措施来规范这些基本药物的价格，但事实是，其中许多人在全球范围内都没有平均分配。许多国家无法在诊所补贴其使用情况。”

FDA在其“短缺药物”中包括长黄质和长春新碱列表2019 - 2020年。

这些问题超出了VINCA生物碱。“像MIA一样，紫杉虫显示复杂的结构，使散装化学合成以具有成本效益的方式不可能，”写信2020年对该领域的评论，在旅游大学的生物碱生物合成小组负责人Vincent Courdavault博士。几十年来，该领域的科学家一直在考虑是否可以将替代生产系统用于VINCA生物碱和其他抗癌药物（例如微生物合成）的生物合成。

在2015年，这成为Jensen及其同事的重点，专门研究MIAS。他们重构进入另一个生产系统将需要对C. Roseus首先产生天然化合物。需要哪些酶？哪些基因编码这些酶？

Catharanthus Roseus。信用：Istock。

在2018年，此信息已获得。发表的论文科学概述了葡萄碱的整个生物合成途径，包括发现两种“缺失”酶。配备了如何了解C. Roseus生产该药物，研究人员接下来考虑了哪些“宿主”可以在基因上设计以表达这一途径。

使用酿酒酵母制作抗癌药

詹森及其同事（包括Courdavault）转向酿酒酵母，也称为Brewer's酵母。“在小分子制造方面，酵母出色的原因有很多。首先，这是一种能够维持高压力，长发酵过程和低pH值的生物技术工作马。詹森说：“所有寻求基于发酵的制造业的特征。”“对于复杂的小分子，例如生物碱，类黄酮和较大类的萜类化合物，由于其高膜能力为重要的膜锚定酶，称为P450，因此寻求酵母。”

杰伊·基斯林教授，劳伦斯·伯克利国家实验室的高级科学家和DTU BioSustain的科学总监，此前曾成功地进行了工程酵母，以生产其他植物来源的化合物，包括大麻素。詹森（Jensen），基斯林（Keasling）和法尔伐特（Courdavault）等其他同事着手将长文碱途径重构为微生物“细胞工厂”。这不是一项容易的壮举 - 途径是31个步骤，詹森强调需要多学科科学家，包括化学，数据科学，生物工程和发酵方面的专业知识。

他们的方法利用基因组工程技术（例如CRISPR-CAS9），可以在基因组中进行精确的削减，以插入或去除基因。研究人员将目光投向了实现中间分子的合成，包括严格撒地 - 一种生产所有MIA的基础分子。Jensen说：“在我们的研究中，我们建立了途径的不同模块，并在结合到最终表现最佳的Vindoline和Catharanthine生产菌株之前对每个途径进行了优化。”

总共需要56个基因编辑，包括插入34个植物基因，缺失，敲低和过表达野生型酵母基因 - 以成功地生产酵母中的Vindoline和Catharanthine。如果您在想 - 那是前体分子，对吗？你是正确的。研究人员指出，酵母中的生物合成“镜像”基于植物的生产过程，从而从中纯化了Vindoline和Catharanthine，从而从中耦合。C. Roseus树叶。

无限的化学空间

微生物会为未来的抗癌药提供新颖的供应链吗？研究人员强调，这是初期。The quantities achieved by this pathway (10 ug/L of vindoline and 100 ug/L of catharanthine per L of cultivation) are not yet competitive with industry standards, but it’s a huge feat – the paper marks the largest biosynthetic pathway to be refactored into a microbial cell factory.

“该途径也可以扩大以产生新的到天性MIA，这可能改善了药理学特性，例如更高的疗效或更少的副作用。”Jie Zhang博士，DTU BioSustain的高级研究员，以及该作品的主要作者。他总结说：“这有可能使我们能够探索具有许多新的生物活性的几乎无限的化学空间。”