微生物药物合成生物学研究进展_武临专

微生物药物合成生物学研究进展

武临专, 洪斌*

(中国医学科学院、北京协和医学院医药生物技术研究所, 卫生部抗生素生物工程重点实验室, 北京 100050)

摘要: 微生物次级代谢产物结构复杂多样, 具有抗细菌、抗真菌、抗肿瘤、抗病毒和免疫抑制等多种生物活

性, 是微生物药物开发的源泉。当前, 微生物药物研究面临一些挑战: 快速发现结构新颖、生物活性突出的化合

物; 理性化提高产生菌的发酵效价; 以及以微生物为新宿主, 实现一些重要天然药物的工业生产。合成生物学是

在系统生物学和代谢工程等基础上发展起来的一门学科。本文对合成生物学在发现微生物新次级代谢产物、提

高现有微生物药物合成水平和创制微生物次级代谢产物方面的研究进展进行了阐述。

关键词: 微生物药物; 合成生物学; 次级代谢产物; 生物合成

中图分类号: Q939.9; Q81; R914.5 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2013) 02-0155-06

Synthetic biology toward microbial secondary

metabolites and pharmaceuticals

WU Lin-zhuan, HONG Bin*

(Key Laboratory of Biotechnology of Antibiotics of Ministry of Health, Institute of Medicinal Biotechnology, Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100050, China)

Abstract: Microbial secondary metabolites are one of the major sources of anti-bacterial, anti-fungal, anti- tumor, anti-virus and immunosuppressive agents for clinical use. Present challenges in microbial pharmaceutical development are the discovery of novel secondary metabolites with significant biological activities, improving

the fermentation titers of industrial microbial strains, and production of natural product drugs by re-establishing

their biosynthetic pathways in suitable microbial hosts. Synthetic biology, which is developed from systematic biology and metabolic engineering, provides a significant driving force for microbial pharmaceutical development.

The review describes the major applications of synthetic biology in novel microbial secondary metabolite discovery, improved production of known secondary metabolites and the production of some natural drugs in genetically modified or reconstructed model microorganisms.

Key words: microbial pharmaceuticals; synthetic biology; secondary metabolites; biosynthesis

来源于微生物的药物称为微生物药物 (microbial medicine, microbial pharmaceuticals), 主要包括来源于微生物(特别是放线菌和真菌) 次级代谢产物的药物。

收稿日期: 2012-09-25; 修回日期: 2012-11-01.

基金项目: 国家“重大新药创制”科技重大专项资助项目(2012ZX09301002-001-016); 国家自然科学基金资助项目

(31170042, 81172964).

*通讯作者 Tel: 86-10-63028003,

E-mail: binhong69@, hongbin@

微生物药物例如抗生素, 在控制感染、免疫调节和治疗癌症等方面发挥了重要作用。目前, 已经从放线菌和真菌中发现了2万多种具有生物活性的次级代谢产物, 其中百余种成为微生物药物。随着对放线菌和真菌的持续开发利用, 直接从放线菌和真菌研制微生物新药难度越来越大, 主要原因在于: ①化合物排重难度很大(从微生物已经发现了25 000多种化合物); ②新微生物资源的分离培养工作没有突破性进展, 获得大量的、具有产生新次级代谢产物能

·专题报道·

力的新菌种(株) 是一项比较困难的工作[1]。

随着DNA序列分析技术的快速发展, 对微生物基因组DNA进行全序列分析逐渐成为实验室常规工作。已经完成的多种放线菌、真菌基因组DNA序列分析结果表明: 在这些菌株的基因组DNA中通常含有数十个编码不同结构类型的次级代谢产物生物合成基因簇, 其数量为化学证实菌株产生的次级代谢产物数量的5～10倍[2, 3], 这说明我们以前远远低估了微生物的次级代谢产物生物合成潜能, 也提示我们对次级代谢产物的化学分析与鉴别能力需要不断加强, 以早日实现微量、快速和准确之目标。宏基因组 (metagenome) DNA序列分析, 也同样发现了大量来自于未培养和难培养微生物的与次级代谢生物合成相关的基因簇序列[4]。如何将这些与次级代谢产物生物合成相关的基因簇“翻译”(转化) 为对应的次级代谢产物, 既是创新微生物药物研发中面临的一个挑战, 也是一个机遇。

在微生物药物研究中遇到的另外一个挑战是提高次级代谢产物的生物合成水平。对于已临床应用的微生物药物, 通过提高工业菌株的发酵效价, 实现增加产量、降低成本的目的。野生微生物菌株的次级代谢产物生物合成能力通常在毫克每升水平(或更低), 微生物药物工业菌株的发酵水平要求在克每升水平(或更高), 二者之间存在巨大差距。部分微生物药物如青霉素的工业菌株经过几十年随机与定向诱变育种, 实现了较高的发酵水平 (70 g·L−1); 但是, 还有许多微生物药物例如免疫抑制剂雷帕霉素 (rapamycin) 工业菌株的发酵水平需要显著提高。此外, 部分微生物药物产品需要减少杂质组分或实现单一活性组分, 以改善和提高药物的品质, 这也要求从生产菌种、发酵工艺、提取流程等方面进行深入研究。因此, 需要建立更加理性化的分子育种方法与策略。

作为微生物药物生产载体的微生物, 其分子生物学、遗传学研究已经比较深入, 有望承担新的重任: 由于自然资源限制, 一部分天然药物特别是植物药, 将来很可能需要转到微生物中生产, 以实现环境保护与药物可持续生产的双重目标。例如, 来源于植物青蒿的青蒿素是公认的治疗疟疾的最好药物, 但青蒿资源有限, 其中的青蒿素含量低, 从青蒿中提取青蒿素满足不了医疗需求, 且青蒿素结构复杂, 化学全合成成本高。美国加州大学Keasling[5]通过合成生物学 (synthetic biology) 技术在大肠杆菌和酵母中成功重构了青蒿酸(青蒿素的一种重要生物合成前体, 可通过两步化学反应转化为青蒿素) 的生物合成途径, 有望实现青蒿酸的微生物发酵生产。届时, 青蒿素将从“植物药”转变为非天然的“微生物药”。

1 合成生物学为微生物药物发展提供新契机

合成生物学是近年来发展起来的一门新兴学科, 它是在系统生物学基础上引入工程学中模块化和系统设计理论, 以人工合成DNA为基础, 设计创建元件 (parts)、模块 (modules), 或者从头合成具有预定功能的人工生物体系, 从而突破自然体系的限制, 实现人工生物体系在药物制造等领域中的应用, 同时加深人类对生命本质的认识。合成生物学本质上属于工程科学, 通过创造或改造基因组, 建立人工生物体系, 让其表现出预期的行为或完成预定的工作。我国科学家已从不同方面对合成生物学及其应用进行了论述[6−8], 认为合成生物学将对医药、能源、化学品和环境等应用与生产领域产生深远影响, 加快对人类赖以生存的若干化学品从高度依赖化石资源制造向可再生生物资源制造的变革。

合成生物学中的元件是指具有特定结构或功能的DNA片段(如基因), 模块是指不同元件的组合以完成预定的生物学功能。微生物次级代谢产物的结构比较复杂, 其生物合成基因通常成簇存在, 由多个甚至几十个模块构成。相对于人工生命系统(细胞) 的全合成, 操作这些基因簇、有目的地获得微生物次级代谢产物相对比较容易实现, 同时也不存在伦理问题。

早在1985年, Hopwood等[9]通过将放线紫红素(actinorhodin, 一种异色满醌类抗生素, isochromane-quinone) 生物合成基因簇中的不同DNA片段导入到其他异色满醌类抗生素 (medermycin, granaticin) 产生菌中, 获得了一组新的异色满醌类抗生素, 开创了采用基因工程技术研制杂合抗生素(hybrid antibiotics) 的新领域。随着放线菌分子遗传学研究的深入, 20世纪90年代提出了“组合生物合成 (combinatorial biosynthesis) ”概念, 是指在了解微生物次级代谢产物的生物合成途径并且克隆了与生物合成与调节相关的基因(簇) 基础上, 在体外对不同来源的基因(簇) 进行删除、添加、取代和重组, 然后导入到适当的微生物宿主中以定向合成一系列“非天然”的天然化合物, 例如新抗生素或其他生理活性物质[10]。从今天的视角看, 这些研究都带有采用合成生物学概念创制微生物新次级代谢产物的色彩。

合成生物学应用于微生物药物研发, 就是以微生物和植物来源的次级代谢产物等为主要研究对象的合成生物学, 它与组合生物合成、代谢工程