1月26日,《科學(xué)(Science)》期刊在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所(嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心)閆建斌研究員與北京大學(xué)雷曉光教授等合作完成的最新研究成果:“Characterization and heterologous reconstitution of Taxus biosynthetic enzymes leading to baccatin III(巴卡亭III生物合成酶的鑒定與異源重構(gòu))”,標(biāo)志著我國在紫杉醇合成生物學(xué)理論和技術(shù)上站在了世界領(lǐng)先地位。
該研究發(fā)現(xiàn)了紫杉醇生物合成途徑中的兩個缺失的關(guān)鍵酶“T9αH”“TOT”,闡明了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子—紫杉烷氧雜環(huán)丁烷的形成機(jī)制,打通了紫杉醇生物合成途徑。相關(guān)研究成果已申請或獲得多項(xiàng)專利,為我國紫杉醇綠色制造產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
千棵紅豆杉僅提取一公斤,珍稀“明星抗癌藥”紫杉醇
癌癥是人類談之色變的重大疾病。而在自然世界中,存在著一些天然的良藥,在癌癥的斗爭中到了關(guān)鍵作用。紫杉醇就是其中的佼佼者。作為一種高效、低毒、廣譜的天然抗癌藥物,紫杉醇因其藥效顯著和用途廣泛,被譽(yù)為“明星抗癌藥”,廣泛應(yīng)用于乳腺癌、卵巢癌、肺癌、前列腺癌、食管癌、胃癌和大腸癌等多種癌癥的臨床治療。
然而,紫杉醇的來源卻十分稀缺,幾乎全部來源于一種稀有的植物——紅豆杉。紅豆杉生長速度慢,數(shù)量稀少,被譽(yù)為“植物的大熊貓”。而且,即使在紅豆杉中,紫杉醇的含量也極低。數(shù)千棵紅豆杉中僅能提取出1公斤左右的紫杉醇,而治療1個卵巢癌患者至少需要幾十克紫杉醇。
圖 紅豆杉
如何不依賴紅豆杉來生產(chǎn)紫杉醇?這是全球科學(xué)家面臨的重大挑戰(zhàn)。自上世紀(jì)80年代以來,科學(xué)家們一直在尋找一種可以替代天然提取紫杉醇的合成方法。1990年,美國率先開發(fā)出一條紫杉醇半合成路線,并迅速實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。接下來的30余年內(nèi),盡管全球上百個科研團(tuán)隊都投入到了紫杉醇的生物全合成研究中,但至今仍未能取得突破性的進(jìn)展。
抗癌救命藥成負(fù)擔(dān),亟需打破歐美技術(shù)壟斷
紫杉醇發(fā)現(xiàn)以來的半個世紀(jì)里,最先進(jìn)的紫杉醇提取技術(shù)、核心的紅豆杉細(xì)胞生產(chǎn)技術(shù)和基因工程技術(shù)等,依然牢牢掌控在歐美制藥公司的手中,如美國的百時美施貴寶制藥公司,法國的賽諾菲公司,德國Phyton公司等。
“我病了三年,4萬塊錢一瓶的藥我吃了三年,房子吃沒了,家人被我吃垮了?!彪娪啊段也皇撬幧瘛分幸欢卧捵尣簧偃虽粶I下,吃不起的“天價救命藥”背后是歐美制藥企業(yè)對于專利技術(shù)的壟斷。如何讓更多人能夠吃上“更便宜、更有效”的救命藥?自主研發(fā)是關(guān)鍵。
為解決“明星抗癌藥”紫杉醇生物合成的卡脖子難題,打破國外技術(shù)壟斷,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所(嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心)領(lǐng)銜,聯(lián)合北京大學(xué)、清華大學(xué)等國內(nèi)外六家單位開展技術(shù)攻關(guān)。
突破“卡脖子”,率先實(shí)現(xiàn)紫杉醇生物合成
2021年,閆建斌團(tuán)隊領(lǐng)銜繪制國際首張染色體級別的南方紅豆杉高質(zhì)量參考基因組圖譜,揭示了紅豆杉合成抗癌藥物紫杉醇的遺傳基礎(chǔ),為紫杉醇生物合成途徑的解析提供了基因組學(xué)藍(lán)圖和關(guān)鍵候選基因。相關(guān)研究成果以封面文章形式發(fā)表在《自然植物(Nature Plants)》上。
在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊綜合利用基因組學(xué)、代謝組學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、合成生物學(xué)等技術(shù)手段,對多個紫杉醇生物合成關(guān)鍵候選基因進(jìn)行篩選,成功發(fā)現(xiàn)了紫杉烷氧雜環(huán)丁烷合酶和紫杉烷碳9位氧化酶,并進(jìn)一步解析了植物中氧雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)形成的催化機(jī)制,改變了環(huán)氧化物是生成氧雜環(huán)丁烷的先決條件的傳統(tǒng)認(rèn)知。在這個前提下,科研人員通過人工異源合成途徑構(gòu)建策略,利用植物底盤實(shí)現(xiàn)了合成路線的人工重構(gòu),成功在植物底盤中以9個關(guān)鍵合成酶生成了紫杉醇工業(yè)化生產(chǎn)前體巴卡亭Ш。
圖 紅豆杉生物合成酶的表征與異源重建生成巴卡亭III
閆建斌領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊在國際上率先實(shí)現(xiàn)了紫杉醇的生物合成,有望解決“明星抗癌藥”紫杉醇供應(yīng)不足的問題,為癌癥患者和家庭“減負(fù)”。該研究不僅對指導(dǎo)紅豆杉遺傳育種和種質(zhì)資源的高效利用具有重要意義,更能夠?yàn)槲覈淖仙即己铣傻妆P改造提供數(shù)據(jù)和專利保障,為我國的紫杉醇綠色制造產(chǎn)業(yè)化鋪平道路。
代謝工程學(xué)科創(chuàng)始人和諾貝爾獎評審委員會委員Jens Nielsen教授認(rèn)為這一研究將對于制藥領(lǐng)域有更深遠(yuǎn)的影響:“在閆建斌教授的這項(xiàng)研究中,他們發(fā)現(xiàn)了一種參與重要抗癌藥物巴卡亭的生物合成的重要酶。這一發(fā)現(xiàn)是我們對復(fù)雜天然產(chǎn)物生物合成的理解的重大突破,它將使我們有能力大規(guī)模生產(chǎn)其他有價值的天然產(chǎn)物,從而開發(fā)出有價值的新藥?!?/p>
中國科學(xué)院院士趙國屏表示:“紫杉醇是人類迄今為止開發(fā)的最有效的抗癌天然產(chǎn)物藥物,其異常復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了生物合成途徑解析的空前難度。閆建斌研究員領(lǐng)銜完成的這一研究成果結(jié)束了闡明紫杉醇生物合成途徑的漫長研究歷史,標(biāo)志著在天然化合物生物合成途徑解析以及人工底盤通路重構(gòu)方面的教科書式的突破;也生動代表著我國一批中青年科學(xué)家,在合成生物學(xué)領(lǐng)域探索奮斗近二十年所達(dá)到的里程碑式新高度?!?/p>