微生物药物的合成生物学研究进展

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:由于微生物天然产物产量相对稀少,微生物药物的合成已经成为新型药物研发的重要途径,利用合成生物学工程技术可以提供大量的类似天然药物,并且可以将天然药物资源短缺、种类濒危的困境打破。本文从概述目前合成生物学重要成果出发,整理和分析其在微生物药物上的具体应用,最后探讨了合成生物学对微生物药物的价值和意义。

  关键词:微生物药物;合成生物学;研究进展;

  合成生物学是基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究,从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成。合成生物学作为第三代革命性生物技术的代表,在如今自然资源越来越少的背景下,其重要性日渐凸显,在生物学的各个方面都发挥着重要的实际应用意义,特别是在微生物药物的研发合成方面,无论是从疾病诊断试剂,还是生物材料研发,都有非常凸显的作用。

1.当前合成生物学的重点成果

  (1)有关合成生命方面的成果

  合成生命的研究工作早在2003年就已经进行,并且取得了比较显著的成效,Craig Venter的基因组合成研究团队,在2003年就对基因组合成进行了实验探究,并且有了想法之后,两个星期内就设计了基因组合成的流程[1];在2010年时,更是进行了一次伟大的创举,将人工合成的基因组转移到M.capricolum细胞中,这个细胞进一步获得了具有明显活性的菌株,并在短时间内将原有的蛋白体系进行了替换[2]。

  (2)有关生物能源方面的成果

  合成生物学在生物能源上的应用成果也比较显著,从2008年开始,以Liao牵头的研究小组就对大肠杆菌内的高级醇合成发现了实现路径,主要方法就是基因优化、重组;次年,该研究团队又对生物能源分子的生产方式进行了探索,通过对细长聚球蓝细菌进行一定程度上的基因重组,进一步增加了二磷酸核酮糖羧化酶的表达量,并将大肠杆菌以及乳酸乳球菌等相关基因进行转移,最后通过改变光照条件生产出了异丁醛产物。

  (3)有关药物合成方面的成果

  Keasling[3]牵头的研究小组在2003年经过精密的实验,将新的青蒿二烯的合成途径及方向打造了出来,这次成功的实验降低了生产抗疟疾药物的成本,给经济发展缓慢的非洲国家提供了抗疟疾新的希望;过了3年,同样是这个研究团队,通过研究将青蒿二烯的单位产量大大提高,主要方法就是上调乙酰辅酶A到FPP的关键基因;2010年,Stephanopoulos教授研究团队成功地合成了紫杉二烯,这是一种抗癌药物的主要成分。

2.合成生物学在微生物药物研究中的应用

  (1)氨基糖苷类抗生素

  随着合成生物学的兴起,一些不受人们看重的“老药”重新起到了重要的作用,比如氨基糖苷类抗生素,如今由于合成生物学的巨大优势,已经合成了庆大霉素,这是一种氨基糖苷类的典型化合物。

  另外一种β-糖苷酶抑制剂的开发非常的困难,冯雁教授课题组[4]利用独特的方法设计出了β-糖苷酶的成分之一,即β-valienamine的人工合成途径,主要利用的就是圆形芽孢杆菌中的转移酶BtrR。阿卡波糖是治疗糖尿病的重要药物,但是由于其生物合成异常困难,导致发酵效价严重受阻,目前,白林泉研究小组对1-epi-valienol和valienol进行了详细的分析,发现其是合成阿卡波糖过程中的产物,在此发现之下,他们利用合成生物学的理念,将已有的合成路径进行优化,对阿卡波糖的代谢路径进行了比较合理的改善,成功将其产量提升到了7.4g/L。

  (2)核苷类抗生素

  核苷类抗生素大都应用于农业防虫以及治疗病毒性感染性疾病,化学结构非常特别,虽然通过生物学方法合成比较简单,仅需要在碱基模块中构建出一种异常复杂的分子,但在其合成的期间会产生较多的多级酶联反应。随着基因合成技术的进步,核苷类抗生素的合成也已经有了长足的进步,以陈文青为代表的研究小组研究出了氨甲酰基聚草氨酸[5],这是多氧霉素中的一种成分,并实现了其合成路径,将核苷类抗生素的可编辑的元件范围大大增加。近日,陈文青等人又发现了一种新的靶向基因组的开发方法,实现了海口小单孢菌DSM45626和柠檬色链霉菌NBRC13005、助间型甲霉素三者的合成方法,给嘌呤类抗生素的生物合成提供了新的方向。

  (3)核糖体肽

  核糖体肽是一类生物产物,当今发现的不同的核糖体肽共有20多种,每一种都具有自身的高独特性,其内部含有大量的硫肽类成分。第一个核糖体肽合成路径被解析出来的种类是那西肽,在此基础上,刘文研究小组对自由基S-腺苷甲硫氨酸(SAM)甲基转移酶NosN进行了研究,发现了其他的功能,除了基础的催化甲基转移功能之外,还可以对聚噻唑基肽中间体进行一定程度上的转化,主要实现路径是:首先,对S化偶联的吲哚部分进行功能化,从而构建出一个碳单元,此单元与硫肽骨架结合在一起,形成一种酯键,最后,建立一个nosiheptide特有的侧环系统,从而成功实现转化[6]。对于核糖体肽其他种类的化合物也有研究,张琪研究小组以cypemycin为基础对前体肽变成熟的构效关系分析,过程中衍生出了大量的cypemycin突变体,这项成果直接显示出了生物合成技术在核糖体肽潜力挖掘方面的巨大成就。

3.合成生物学对微生物药物发展的作用和意义

  (1)合成生物学技术为微生物药物发展提供了新的机遇

  目前在现有科学家对合成生物学技术研究成果的基础上,微生物药学领域得到了大量的开发论证,很多新的微生物药物应运而生,其主要的实现途径就是通过微生物的次级代谢产物为研究根基,然后与组合生物进行生物学合成[7]。合成的微生物药物如今已被大量的应用在实际病症治疗中,比如说青霉素,在生物合成技术没有出现之前,微生物药物研发成本极其高昂,而且在研发过程中,还会对周围环境产生污染,但是在引入生物合成技术时,这些缺陷已被大大缓解,因此,合成生物学技术给微生物药物发展带来了更有优势的研发途径。

  (2)合成生物学促使微生物新次级代谢产物研发的进程

  对于微生物次级代谢产物的研究,特别是对合成基因簇中的众多编码信息,如果使用传统的提取技术,会异常繁琐和艰难,但是在DNA测序技术不断进步的前提下,运用生物合成技术,将基因簇中的编码信息进行提取已经变得比较容易。比如对于生物酶的合成,就必须要用生物合成技术,对微生物的基因组DNA进行合理的增删,而这对于常规合成技术来说,难度非常大,并且通过这种技术,还能进一步研发出新的微生物药物,因此,合成生物学可以促使微生物新次级代谢产物研发的进程。

  (3)合成生物学技术在微生物次级代谢产物创新再造方面具有重大的应用价值

  合成生物学技术在提高药物活性方面,具有较明显的效果[8]。微生物的细胞内组织结构非常复杂,将其进行基因重组可以产生无限的可能性,而合成生物学技术为其提供了可实现的路径,将微生物的次级代谢产物进行科学合理的调整,从而提高其药物活性,在药物治疗方面的效果大大增强,比如博来霉素与糖肽类抗生素这两类药物,单独使用疾病治疗效果不是很明显,但是运用生物合成技术,将它们进行药物合成,研发出杂合糖肽类抗生素,临床效果倍增。因此,合成生物学技术在微生物次级代谢产物创新再造方面具有重大的应用价值。

4.结束语

  合成生物学技术体系比较庞大,目前还不是很完善,在将合成生物学用于微生物药物合成和研究时,需要在不断完善内容体系的基础上,持续进行探索和研发工作,并科学合理的对待实验过程,只有合成生物学技术得到了进一步的飞速发展,才能在未来对社会的各项领域产生重大的积极意义和价值。

参考文献

  [1]J.Craig Venter,Samuel Levy,Tim Stockwell,Karin Remington,Aaron Halpern.Massive parallelism,randomness and genomic advances[J].Nature Genetics,2003,33(Suppl 3).

  [2]Daniel G.Gibson,John I.Glass,Carole Lartigue,Vlad-imir N.Noskov,Ray-Yuan Chuang,Mikkel A.Algire,Gwynedd A.Benders,Michael G.Montague,Clyde A.Hutchison,Hamilton O.Sm-ith,J.Craig Venter.Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome[J].Science,2010,329(5987).

  [3]Nielsen J,Keasling J D.Synergies between synthetic biology and metabolic engineering[J].Nature Biotechnology,2011,29(8):693.

  [4]杨广宇,冯雁.合成生物学中的酶定向进化与模块组装[J].生物产业技术,2010,5:36-43.

  [5]王婷婷,邓子新,陈文青.抗生素生物合成基因簇克隆策略的研究进展[J].生物加工过程,2016,14(02):70-74.

  [6]Zhang,Q.,Chen,D.,Lin,J.,Liao,R.,Tong,W.,Xu,Z.,& Liu,W..Characterization of NocL Involved in Thiopeptide Nocathiacin I Biosynthesis[J].Journal of Biological Chemis-try,2011,286(24):21287-21294.

  [7]胡海峰.利用微生物基因组信息及合成生物学技术改造微生物菌株[A].中国药学会抗生素专业委员会、《中国抗生素杂志》杂志社、《中国医药生物技术》杂志社.第十三届全国抗生素学术会议论文集[C].中国药学会抗生素专业委员会、《中国抗生素杂志》杂志社、《中国医药生物技术》杂志社:中国药学会,2017:2.

  [8]岳雪,聂少振,王素珍,李荣荣,李大成,王炳全,董惠钧.合成生物学在天然药物和微生物药物开发中的应用[J].中国抗生素杂志,2016,41(08):568-576+605.

作者:刘媛媛 石向前 吕宪峰 单位:潍坊学院化学化工与环境工程学院 聊城大学 山东聊城阿华制药股份有限公司

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