应用合成生物学 突破微生物药物研发瓶颈——访上海交通大学冯雁教授

应用合成生物学 突破微生物药物研发瓶颈
——访上海交通大学冯雁教授

冯雁，上海交通大学特聘教授，“973”首席科学家。主要致力于分子酶学及合成生物学研究。在国家科技部（“973”项目及“863”项目）、国家自然科学基金及上海市科委支持下，建立了重要微生物代谢酶基因资源库；基于计算机辅助设计、半理性设计及定向进化等策略，揭示了酶催化活性、底物特异性、稳定性等分子作用机制，拓展了酶序列、结构和功能空间；在此基础上，对微生物代谢途径进行重新编程及高效适配，设计和构建了天然/非天然产物药物的细胞工厂，为药物合成提供了高效绿色的发展模式。相关研究成果获省级科技进步一等奖、二等奖各一项；在《ACS Synth Biol》, 《J Biol Chem》,《J Am Chem Soc》等学术刊物上发表论文近百篇。

《生物产业技术》：微生物药物作为现代药物的重要组成部分，目前其发展状况和趋势如何？

冯雁：微生物药物与我们的生活息息相关，如临床使用的抗感染（青霉素、红霉素）、抗肿瘤（埃博霉素、阿柔比星）、降血脂（洛伐他汀）和免疫抑制剂（环孢菌素、他克莫司）等药物，很多都是放线菌或真菌的次级代谢产物。微生物药物长期作为现代药物的重要组成部分，目前已有100多个品种，全球市值超过300亿美元，约占市场份额的20%以上。近年来，微生物药物的发现从21世纪四五十年代的黄金期转变成为目前的瓶颈期，这主要是因为传统模式采用随机人工分离筛选为主，而自然界大约只有1%的微生物是实验室可培养的，这个局限性给传统新药开发带来很大障碍。另外，由于实际应用中抗生素的广泛使用甚至出现滥用的现象，筛选出了一批批的超级耐药菌，导致了严峻的形势。我国一直都是抗生素的生产及使用大国，因此瞄准交叉科学前沿、应用多学科交叉。科学高效地建立和完善微生物药物创新和优产的新模式、发展现代生物高新技术、推动微生物药物产业的跨越式提升和发展，势在必行。

基因工程、基因组测序、基因组学、蛋白组学、代谢组学等学科的快速发展，尤其是合成生物学的出现，使人们摆脱了对自然的依赖，极大地推动了以分子遗传技术为主要支撑的微生物药物的开发和生产。例如，随着基因工程工具的开发，对微生物工程菌株改造的可操作性大大增加，进一步可实现高产或得到活性优良的衍生物；基因组测序技术的突飞猛进，使人们可以挖掘药物合成基因簇宝藏，尤其是开发不可培养的微生物资源；基因组学分析可以为新药的筛选与发现建立潜在药物靶标；应用高通量的蛋白组学和代谢组学的技术平台，不仅可以推动诊断靶点的确定及药理学研究，还可以提高药物产量。在这些新技术、新策略的推动下，微生物药物的发现已从低谷中走出。

近十年来，由于合成生物学与微生物药物研究的碰撞，在重要的聚酮类、硫肽类等药物新结构设计方面取得了成绩，获得了新功效和新结构的微生物药物衍生物。如中国科学院刘文研究组 对基于合成生物学模块化思路，采用计算机辅助药物设计对硫链丝菌素的突变株化学喂养，获得有更好理化性质和生物活性的衍生物。尤为重要的是，微生物作为药物合成的载体，可以为其他物种来源（植物、动物、人源）的药物合成提供载体，进一步设计产生新型微生物药物。其中，最为著名的例子，就是青蒿素在酵母中实现高产。通过导入外源的合成基因及理性设计，最终青蒿酸产量达到25g/L，进一步通过简单的四步化学反应就能合成出终产物青蒿素 ，非常接近工业化生产的所需条件。相信合成生物学技术不仅为传统微生物药物品种创新和优产提供了重要的支撑，还能在新型微生物药物研发方面体现重要作用，必将促进健康和医药产业的发展，产生巨大的经济效应。

《生物产业技术》：目前，我国合成生物学在全球微生物药物领域中的研发和应用处于怎样的位置?

冯雁：由于我国微生物药物研究基础较为雄厚，对微生物药物代谢途径解析、途径重构、微生物菌株改造等方面已形成一定积累，若干研究工作已具有合成生物学特点，可以说我国微生物药物领域的研究几乎与国际同步在发展中。

目前，我国合成生物学发展中，对于微生物药物合成途径理性设计、模块构建、建立标准元件库、底盘细胞中集成与适配都取得了显著进展。例如，中国科学院周志华课题组对英文类药物分子，如人参锗CK和丹参酮前体 等进行元件挖掘，实现了传统植物中药成分的微生物生产。我们“973”项目子课题组成员揭示了庆大霉素、安丝菌素、安莎三烯、吡咯酰胺类、二硫吡咯酮家族、核糖体肽类等微生物药物的合成和调控机制，为这些药物的结构衍生积累了多个结构元件和调控元件。我们“973”项目子课题组以具有自主知识产权的灰色链霉菌FR-008为操作平台，利用基因组最小化与染色体硫化修饰建立了生长快速、遗传稳定、抗噬菌体污染的微生物药物生产专用底盘细胞。我们“973”项目组还开发了RxnFinder的在线数据库，集成了 50 000条生物合成反应，覆盖了10万多篇生物合成文献，可以完成生物合成的交互式设计。但需要承认的是，相对于国际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产，我国目前在应用合成生物学与微生物药物领域上，仍然有提高的空间，需要更深入、更大胆、更系统地探索，最终实现产业变革，相信这一天不会遥远。

《生物产业技术》：多种新流行性疾病和耐药菌株的出现，使得微生物药物研发面临着药物创新、品种更新以及生产效率提高等多重挑战，合成生物学在微生物药物的创新与优产方面将提供哪些新的发展手段和思路？

冯雁：近年来，新的突发流行病及超级耐药菌这两个问题，在全球范围内都受到高度关注，研发新的微生物药物作为最后一道防线意义更为显著。合成生物学以人工合成DNA为基础，旨在以工程学中的模块化和系统化设计理论，设计或创建元件、将模块化元件组装途径，完成人工细胞工厂的创建。所以将合成生物学的工具与思路用来开发微生物药物的创新与优产，以突破目前药物研发面临的众多挑战，是有巨大潜力的。天然存在的微生物药物都是经过多步酶催化获得终产物，而且大多数生物合成基因在微生物体内是成簇排列，但不同微生物中次级代谢酶的活性及底物选择性有很大差异，因此天然药物合成时有很多副产物，而且产量低；但其优势是多物种可以提供大量生物元件。因此，在对生物合成深入研究的基础上，对重要催化及调控元件建立元件库，通过体外分子进化以及途径多酶的有序组装等，提升系统催化效率，解决限速步骤的障碍，有望实现优产；而且对调控元件标准化后，人工设计途径的组装适配性更加高度可控，通过系统集成，可实现优产；此外，在已有生物合成途径中，目的性引入异源催化元件，并进行元件的适配及系统性优化，产生新结构化合物，可实现药物创新。

《生物产业技术》：目前，微生物药物合成生物学发展需要解决的关键科学问题和研究方向是什么？

冯雁：应用合成生物学突破目前微生物药物的研发瓶颈，挖掘微生物药物潜力，是有广泛空间可以操作的。其中存在以下需要解决的关键科学问题：在组学基础上，如何唤醒“沉默”基因簇，如何有效地构建具有多物种来源的生物元件库，生物催化及调控元件功效的数量控制，合成设计创新系统，生物元件及系统的适配性原理，底盘细胞与多种外源元件的兼容性。这些问题的解决有望最终在生物元件模块化、标准化的基础上实现系统集成。目前主要的研究方向有三：其一是对现有大宗微生物药物合成途径的优化设计，即通过分子工程对每个元件进行标准化设计及系统优化，最终实现药物高产；其二是对动、植物源小分子药物进行途径再设计，应用微生物实现高产；其三是重新设计新结构化合物，产生具有新功效的药物。这三个研究方向是研究热点，尤其是第三条有一定难度，但是合成生物学理念和技术的应用，将会给药物合成带来突破性的革命。

《生物产业技术》：您主要负责和参与的“微生物药物创新与优产的人工合成体系”项目目前取得了哪些阶段性成果？

冯雁：我负责和参与的项目主要集中在药物合成生物学，即通过多学科交叉融合阐明药物生物元件与模块设计合成的分子基础，探索工程化设计生物合成体系高效适配性的策略，构建适于微生物药物合成的优质底盘细胞，使我国主要微生物药物品种尤其是重要抗生素品种的应用基础研究在整体上步入国际前沿水平。经过几年工作，已有重要进展：确定了抗肿瘤、抗感染药物安莎霉素、盐霉素及庆卡霉素等多个药物生物合成途径和关键基因；建立了世界上最全面的生物合成反应数据RxnFinder，为定向挖掘酶基因元件提供了指导；发展了依据酶家族信息、以Key-motif为指导的新功能元件优化策略；重构了药物前体β-井冈霉烯胺的生物合成途径，解决了原有化学合成方法步骤多、安全性低等问题；发展了超分子多酶体自组装策略，首次在体内外实现了异源多酶高效催化、结构有序的纳米多酶二维组装体；将CRISPR/Cas9和反向筛选系统结合，开发了高效放线菌基因编辑技术体系；构建了系统优化、抗逆能力强的硫化修饰放线菌底盘细胞；设计获得活性更优的新结构化合物，如具有抗寄生虫活性的抗生素A33853新结构衍生物；一些人工构建的生物合成产品，如达托霉素、那他霉素等工程菌株已经成功进入放大生产阶段。

总体来看，合成生物学经过几年的工作积累，现在渐入佳境。我们已建立了药物合成生物学相关的研究平台，包括生物元件及合成途径测试、功能优化和虚拟设计平台、链霉菌基因组编辑平台，以及代谢流分析与发酵条件多尺度优化平台；培养了一支创新能力强的人才队伍，为未来药物合成生物学的跨越性发展奠定重要基础。

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《生物产业技术》：请您简单介绍一下目前我国对合成生物学立项情况，及您对我国合成生物学发展有哪些建议。

冯雁：合成生物学这门学科在各国都得到大量投资及火热关注，例如美国和英国分别斥巨资兴建合成生物学中心。我国也大力支持合成生物学的发展，2011～2014年，我国共启动了合成生物学相关的10个“973”项目和1个“863”项目，主要是在微生物制造。此外，还有1个动物和1个植物的合成生物学项目。这些项目目前都取得了显著进展，有些已达到国际领先或首创水平，为产业转型变革奠定了基础。我认为目前我国的合成生物学研究已得到共识，高校、研究院及企业等都有人员投入到该研究中，合成生物学需要工程与科学的高度协同，其多学科协同的特性需要打破原来的单兵或单兵种作战的限制。建议是：①建立多学科协同的研究平台和技术体系，实现系统化、规模化、目标化的多团队协同研究模式；②完善合成生物学的模块化、标准化、系统化的理念，发展合成生物学科学和技术体系；③针对重大产品集中攻关，建立优化、协调的人工生物合成系统，促进生物产业发展。

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.06.002