用面包酵母酿造的抗癌药

在2019年夏季和秋季，一些癌症患者的治疗中断。原因是药物长春花碱和长春新碱短缺，这是几种类型癌症的基本化疗药物。

从马达加斯加长春花植物Catharanthus roseus的叶子中分离出的这些药物没有替代品。来自植物的两种活性成分 - 长春多林和茶红碱 - 共同形成长春花碱，抑制癌细胞的分裂。

虽然这种植物很常见，但生产 2000 克长春花碱需要超过 1 公斤的干叶。持续到2019年的2021年短缺主要是由于这些成分的供应延迟造成的。

由DTU研究人员领导的跨学科国际科学家团队对酵母进行了基因工程改造，以生产长春多林和酸橙碱。他们还设法纯化和偶联两种前体以形成长春花碱。因此，已经发现了一种新的合成方法来制造这些药物。

他们的论文“用于生产抗癌药物长春花碱的微生物供应链”发表在《自然》杂志上。

这项研究可能会产生新的长春多林、茶碱和其他生物碱的来源，这些来源完全独立于影响作物种植的因素，如植物病害和自然灾害。由于制造这些化合物的基本成分是面包酵母和简单的可再生底物，如糖和氨基酸，生产也不太容易受到流行病和全球物流挑战的影响，DTU Biosustain的高级研究员张杰表示，新论文的第一作者：

“在过去的几年里，我们已经看到市场上出现了几起这些药物短缺的事件。它们更频繁地发生，并且很可能在未来再次发生。当然，我们设想为这些分子和其他分子建立新的供应链。这一结果是一个概念证明，在扩大规模和进一步优化细胞工厂以具有成本效益的方式生产成分方面还有很长的路要走。

抗癌药物可能的新供应链

除了是第一个展示这些抗癌基本药物的全新供应链的研究外，该研究还展示了插入微生物细胞工厂的最长生物合成途径或“装配线”。张杰认为，后者本身就是一个有希望的结果。

长春花碱属于所谓的单萜吲哚生物碱 – 简而言之，MIA.MIA具有很强的生物活性，可用于治疗各种疾病。然而，它们是高度复杂的分子，因此难以合成生产。这项研究旨在证明研究人员可以做到这一点。

“为了证明微生物制造所有MIA的可行性，我们选择了植物化学已知的最复杂的化学品之一。当我们在2015年开始时，我们不知道制造长春花碱所需的全部途径。我们也没有意识到社会面临的短缺。这是我们知道的最长的途径，我们知道它可能编码了30多个酶促反应。最大的挑战是如何对单个酵母细胞进行30多个步骤的编程，同时仍然确保重新编程的细胞能够根据需要运行，同时能够自我维持。这是我们研究的主要挑战和最大的部分。这根本不简单，“张杰说。

DTU高级研究员，该研究的通讯作者之一Michael Krogh Jensen补充说：

“我们必须在细胞的装配线上安排正确的'人员'。我们还需要酵母细胞中已有的其他装配线的补充，以使其顺利工作。我们需要所谓的辅助因素。您还需要确保同时，起始材料已到位，用于细胞中的其他基本功能。

该团队进行了56次基因编辑，将31步生物合成途径编程到面包酵母中。尽管这项工作很困难，还需要做更多的工作，但作者预计酵母细胞将成为一个可扩展的平台，用于生产3000多种天然存在的MIA和数百万种新的自然类似物。

“在这个项目中，我们正在寻找制造对人类健康至关重要的复杂化学的新方法，尽管该技术也可能在农业和材料科学中有用。生物技术提供了一些令人兴奋的东西，因为化学合成很难扩大规模，而且自然资源是有限的。我们认为需要第三种方法：发酵或全细胞生产。自然界已知的装配线入微生物细胞，并允许细胞产生一些这些复杂的化学物质，“Michael Krogh Jensen说。

根据作者的说法，现在可能基于其新平台生产的许多新的必需MIA包括化疗药物长春新碱，伊立替康和拓扑替康。所有这些都与长春花碱一起在世界卫生组织的基本药物清单上。

酵母细胞在药物生产中显示出前景。

该研究进一步强调了合成生物学的最新发展，其中工程酵母用于药物生产。细胞工厂现在可以生产的其他分子包括治疗癌症，疼痛，疟疾和帕金森病的潜在药物。

使用廉价和可再生的基质生产来自工业规模发酵罐工厂的药物可能会缓解未来的短缺，并创造一个独立于养殖或稀有生物的更可持续的经济。

通讯作者Jay D. Keasling，加州大学伯克利分校化学与生物分子工程教授，DTU Biosustain科学总监，长期以来一直是利用它生产基本分子的合成生物学先驱。举个例子：2003年，他成功地设计了大肠杆菌，生产出抗疟疾药物青蒿素的前体。后来，他将整个途径设计成酵母细胞，就像酵母细胞现在可以用来生产长春多林和酸橙碱一样。

“我们在酵母中构建的代谢途径是有史以来在微生物中重建的最长的生物合成途径。这项工作表明，几乎可以从任何生物体中取出非常长而复杂的代谢途径，并在酵母中重组，以提供急需的治疗方法，这些疗法太复杂而无法使用合成化学合成。由于酵母本质上是可扩展的，这种工程酵母有朝一日可以提供长春花蛋白以及该天然产品家族中的 3，000 种其他相关分子。这不仅会增加这些产品的供应并降低消费者的成本，而且生产也是环保的，因为它消除了从敏感的生态系统中收获稀有植物以获得分子的需要。