贺海燕：探索大自然的馈赠

卫婷婷

近30年来，科研人员对天然产物生物合成的研究取得了诸多重大的突破，为开发活性更高、生产成本更低廉的药物作出了巨大的贡献；同时，通过天然产物生物合成研究，还发现了大量生物酶催化剂，可用于高附加值化学品或临床药物的高效制备。天然产物作为大自然对人类的馈赠，其生物合成研究一直吸引着中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所研究员贺海燕的探索好奇心。

贺海燕，中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所研究员，博士生导师。2012年博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所，2014—2021年在加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）化学系进行博士后研究，2021年3月至今受聘于中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所，并入选2021年国家高层次人才引进青年项目。主要从事微生物来源天然产物的生物合成相关研究，先后进行了土壤微生物来源的5个结构复杂、活性显著的化合物生物合成途径中特殊酶反应及机制的解析，取得了多项原创性的成果，以第一作者在《自然·化学》（Nature Chemistry）等国际著名学术期刊发表论文5篇，《科学引文索引》（SCI）他引400余次，得到国际同行的认可与关注。

贺海燕在实验室观察样本

天然产物是大自然给人类独一无二的馈赠，它是指动物、植物提取物或昆虫、海洋生物和微生物体内的组成成分或其代谢产物，由于其复杂的骨架结构和良好的药用价值，吸引着科学家对其进行结构鉴定及化学合成。

1928年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）从青霉菌中发现了具有抗革兰氏阳性菌的青霉素，并因此获得了1945年诺贝尔生理学或医学奖。青霉素的发现成为天然产物应用于临床研究的里程碑，人类由此进入了从天然产物中寻找新型药物的新时代。

而今，现代药物研究与开发仍离不开天然产物。数据显示，全球约有2/3的临床药物源于天然产物，其中包括60%的抗癌药和75%的抗感染药物。近30年来，科研人员对天然产物生物合成的研究取得了诸多重大的突破，为开发活性更高、生产成本更低廉的药物作出了巨大的贡献；同时，通过天然产物生物合成研究，还发现了大量生物酶催化剂，可用于高附加值化学品或临床药物的高效制备。天然产物作为大自然对人类的馈赠，其生物合成研究一直吸引着中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所研究员贺海燕的探索好奇心。

执念

贺海燕对大学教授和高考状元有一种莫名的执念。在他参加高考的前一年（2002年），陕西省高考理科状元是史方舟。史方舟的父母是大学教授，他和贺海燕一样是陕西神木人。受他影响，“读理科，成为大学教授，再把小孩培养成高考状元”是贺海燕最初的人生目标。2003年高考后，18岁的他很快做出了选择，并顺利考入天津大学化学系，朝着当时的人生目标靠近。

站在天津大学的校门前，贺海燕的第一印象是，校门比录取通知书封面更加漂亮，更有历史感。随后在天津大学理学院的开学典礼上，院长的一番话，至今仍让贺海燕记忆犹新。“院长说，我们从小学到高中读了12年，12年的时间只是读书生涯的一半，后面还有大学4年、硕博5年、博士后3年，加起来是下一个12年。”现在的贺海燕回想起这段话，他发现自己经历的时间比这后面的12年还要长，是整整16年的时间。在漫长的时间里，是科研的乐趣和当大学教授的执念一直支撑他走过来。

贺海燕最早接触科研是在大二那年的暑假，他自述“运气很好地”被筛选到化学系教授李春葆的实验室。在李老师课题组，他接触到了书本里没有的科学实践。“我到了实验室之后，开始意识到书本上的知识并不是最新的知识。”贺海燕开始去查阅一些刚刚发表出来的文献，从这些文献中找到新的实验方法或者学习一些新的技术。贺海燕的英语基础不太好，李春葆教授就鼓励他多读文献，多学习一些专业术语，慢慢地，他喜欢上了看文献，学会了怎么去读文献，甚至能从中找到前沿的小课题去做。

大四做毕业设计时，贺海燕去了化学系王建辉教授的课题组，接触到了有机合成和催化机理的研究，对化学的理解更进了一步。在研究兴头上的他，决定挑战一次，全国哪个化学研究所最难考，他就考哪里。“中国科学院上海有机化学研究所是化学领域最难考的一个研究所，我就想试一试。”贺海燕总结自己是“运气好”，初试最后一名的他因为不错的复试成绩，成功逆袭，进入了上海有机化学研究所，成为生命有机化学国家重点实验室唐功利课题组的一员。

等真正进入唐功利课题组之后，贺海燕才发现课题组的研究方向是主攻微生物，主要是做抗生素药物开发。“很快我就做出了决定，从化学方向转到生物学方向，开始做抗生素等天然产物生物合成方面的研究。”贺海燕心里很清楚，研究抗肿瘤和抗菌药物与人的健康、治疗相关疾病息息相关，这是很重要的研究。

FR901464是由假单孢菌Pseudomonas sp.No.2663产生的具有高效抗肿瘤活性的天然产物，研究表明，FR901464可以抑制前体mRNA的剪接，具有极高的抗肿瘤活性。而FR901464聚酮链生物合成途径的解析是贺海燕在硕博期间最重要的工作。“它活性很好，但是在天然产物中产量特别低，发酵一升产量不到10毫克，那么在临床研究的时候，它的来源就是一个特别大的问题。”于是，贺海燕及合作者从FR901464的结构入手，对其的生物合成进行了非常详细的研究。在原始生产菌株假单胞菌No.2663中成功地鉴定了其生物合成基因簇，阐明了FR901464生物合成是由反式-AT型聚酮合酶和非核糖体肽酶杂合体系催化完成。

“我们把它的生物合成里面特别关键的步骤都解决了，之后辉瑞公司在我们的基础上，对这个天然产物生物合成进行了改进，产量提高了600多倍，每1L可以得到2.4g的产物，完全解决了来源的问题。”贺海燕的相关研究成果发表在了化学领域最富权威的学术期刊之一——《美国化学会志》（

Journal of the American Chemical Society

）上。

在研究过程中，贺海燕注意到，聚酮合成酶是最特别的催化剂，不仅具备神奇的“创造力”，而且“创造力”特别旺盛，许多物质若是碰上了它，就会变成另一种全新的物质。他决定前往加拿大英属哥伦比亚大学化学系从事博士后研究工作，继续研究天然产物和生物合成机制。“一方面觉得海外经历是一个大学教授必备的要素，另一方面想去体验海外的科研经历是否能对自己有特别大的帮助。”贺海燕抱着最初的执念，走向了更深的科学领域。

贺海燕在加拿大工作时期照片

成长

刚到加拿大的时候，贺海燕与实验室的其他成员都不是很熟悉，交流不多，只顾着埋头做实验。但随着实验的进行，话匣子也逐渐打开，慢慢和大家熟悉了起来，他觉得国外的实验室和国内并没有太大的差别。“我的导师懂得如何最大限度地激发课题组成员的潜力，那就是让他独立，独立地挑选课题，独立地解决问题，就会成长得更快。”贺海燕也正是在这种独立中迅速地成长了起来。

贺海燕在加拿大主要研究酶催化反应，寻找一些特殊的生物分子，比如亚硝胺。“亚硝胺分子我们都知道它有非常强的致癌性，但它在生物体内是怎么合成的，我们一直不知道。”一般认为，亚硝胺是二级胺与亚硝酸在酸性条件下自发反应生成的，但是没有充分的证据。于是贺海燕选中了链脲菌素（Streptozocin）进行研究，它是分离于链霉菌的一个非常罕见的亚硝胺天然产物，由于具有较强的细胞毒性和抗癌活性，被开发为抗胰腺癌药物，一直用于重症患者的治疗。

贺海燕首先从生产菌株中鉴定了链脲菌素的生物合成基因簇，其中包含有一个精氨酸甲基转移酶StzE；再通过体外生物化学实验，证实了StzE可以催化精氨酸的胍基单甲基化；并且通过体内和体外实验互相辅助，明确证实了双铁依赖的氧化酶StzF催化甲基精氨酸胍基的氧化，并释放一氧化氮（NO）。贺海燕通过生物信息学分析发现，StzE和StzF两个蛋白在很多微生物体内都是成对存在的，表明此一氧化氮合成途径具有普遍性。该研究的相关成果，贺海燕以第一作者发表于《美国化学会志》上，而此项研究，为探索一氧化氮和亚硝胺分子在微生物和植物体内合成新途径提供了强有力的指导。

除此之外，贺海燕最重要的工作还有甲基氮酸酯这类天然产物的生物合成研究。O-甲基氮酸酯在化学上是一种特殊的1，3-偶极子，可以与不饱和化合物在较温和的条件下进行环加成反应，生成五元杂环，在合成化学领域具有重要的意义。“我们对O-甲基氮酸酯的生物合成进行了系统研究，彻底解决了它的生物合成这个途径，知道它来源于甘氨酸，经过4个酶依次催化而来。”贺海燕通过生物信息学分析，在69个放线菌基因组中发现了类似的O-甲基氮酸酯的合成途径。而在另外61个放线菌基因组中，氮酸单加氧酶（Nitronate monooxygenase）取代了O-甲基转移酶。另外，通过体外实验，证实了该类氮酸单加氧酶可以催化氮酸中间体的转化，生成乙醛酸产物，并释放亚硝酸。贺海燕的此项成果发表于顶级学术期刊《自然·化学》（Nature Chemistry）。“它生产的是亚硝酸，这跟酶生物的氮循环也是有关系的，和我之前亚硝酸的研究是相关联的。”

在加拿大工作的6年时间里，贺海燕的研究和实验进展得很顺利，他先后对2个结构特殊、活性显著的化合物生物合成途径中特殊酶反应及机制进行了解析，取得了多项原创性的成果。但回国是他出国时就已经决定好的事情，2021年2月，他踏上了回国的飞机，这一站的目的地是中国医学科学院医药生物技术研究所。

归来

贺海燕的回国之路异常漫长，因为疫情的影响，他从温哥华到厦门，厦门到西安，西安到北京，前前后后一共隔离了28天，但贺海燕的心情仍然是雀跃的。中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所是我国抗感染与微生物药物研发与人才培养的重要基地，也是国家创新药物研发的主要单位之一，研究内容覆盖了从化合物到前导药物到临床药物的各个方面，设有先进的化合物活性筛选及前导药物开发平台，也拥有丰富的制药企业合作经验。“我只要找到一些活性分子，很快就能进行前期的测试，大大加快我的实验进度。”此外，在硬件支持方面，研究所给他提供了100平方米的实验室、40平方米的办公室，以及500万元的启动经费。实验室的装修、需要采购的仪器，贺海燕早已列好了清单，联系了相关的公司。同时，研究所也为他配备了科研助手和每年两名的研究生招生名额，很快组建起了科研团队，研究组科研工作逐步步入正轨。

面对未来，贺海燕有着非常清晰的规划。在过去30年，科学家阐述了大量结构复杂的天然产物的生物合成途径，同时发现了各种各样的酶催化反应，几乎涵盖了所有化学反应的类型。贺海燕很清楚，未来微生物制造和微生物天然产物合成生物学的研究将起到举足轻重的作用，因此，微生物制造和天然产物药物开发，是他今后的两大研究方向。

“现在的化学合成有两个缺点：一是不够经济，二是不够环保。所以我希望开发一种生物的方法来生产很多化学品，类似绿色生物制造。”贺海燕有着自己的思考，生物体内有各种各样的酶，这些酶能够催化的化学反应特别多，大多数的化学反应，都能在生物体内找到相应的酶，只是这些酶不能直接用于生产，还需进一步优化、筛选，才能满足生产的需要。“开发绿色的生物催化剂，虽然需要很长的时间，但是前景很广阔。”贺海燕正在沿着这个方向来努力，他很有自信。

而天然产物作为药物开发重要的先导化合物，其合成生物学研究将会推动新药、新医疗策略的开发。贺海燕选中了放线菌，研究表明，超过一半的抗生素都是由放线菌产生的。放线菌的基因组较大，每个基因组包含有20～30个基因簇，但只有部分基因簇在实验室的培养条件下是被激活的。未被激活的基因簇预示着更多新的天然产物有待被发现。近年来，超过6000株放线菌被测序，基因组数据库越来越庞大，为基因组挖掘发现新天然产物提供了便利。“打个简单的比方，一个放线菌可以产生十几种抗生素，但在实验室中培养时，只能生产三四种，也就是说每个放线菌里面还有超过10种抗生素没有被发现。”贺海燕希望能找到这些未知的抗生素，并结合医药生物技术研究所现有的平台，筛选出一些具有良好活性的分子，将其应用于某些前体药物或临床药物的研究，为新药物的开发作出贡献。

天然产物的分离纯化过程单调得有些枯燥，每周都在做相同的实验，这是非常考验耐心和细心的。能否从重复的实验里找到异常的数据，再根据异常，着手下一步的改进呢？贺海燕总能从中获得乐趣和挑战，“这个领域正处在一个很好的发展时期，新的科学技术不断涌现，带来了许多新的可能性，以前无法做到的，现在都可以做到”。

与16年前的自己相比，贺海燕已经完成了当大学教授的目标。回想起自己最初的执念，他释怀了，多年的科研经历让他放下了对高考状元的过度崇拜，孩子们健康快乐地成长和享受科研的乐趣才是最重要的。展望未来，看好天然产物生物合成这个领域的贺海燕，期待着能够在中国医学科学院医药生物技术研究所破解更多关于天然产物的谜题。