“抗癌明星药”生物合成为何能引发关注

发布时间:2024-03-05 05:49:17 来源: sp20240305

  

  “我病了3年,4万块钱1瓶的药我吃了3年,房子吃没了,家人被我吃垮了。”电影《我不是药神》中一段话让不少人潸然泪下,吃不起的“天价救命药”背后是欧美制药企业对于专利技术的垄断。如何让更多人能够吃上“更便宜、更有效”的救命药?自主研发是关键。

  为解决“明星抗癌药”紫杉醇生物合成的“卡脖子”难题,打破国外技术垄断,中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)联合北京大学、清华大学等国内外6家单位开展技术攻关,在国际上率先实现了紫杉醇的生物合成,有望解决“明星抗癌药”紫杉醇供应不足的问题。

  前不久,国际学术期刊《科学》(Science)在线发表了闫建斌研究员与雷晓光教授等合作完成的最新研究成果,发现了紫杉醇生物合成途径中的两个缺失的关键酶,阐明了关键结构分子—紫杉烷氧杂环丁烷的形成机制,打通了紫杉醇生物合成途径。该研究成果标志着我国在紫杉醇合成生物学理论和技术上站在了世界领先地位。

  “明星抗癌药”紫杉醇

  在自然界中,存在一类天然产物药物,被广泛应用于癌症治疗、预防心血管疾病等,紫杉醇就是其中一种。作为一种高效、低毒、广谱的天然抗癌药物,紫杉醇因其药效显著和用途广泛,被誉为“明星抗癌药”,被广泛应用于乳腺癌、卵巢癌、肺癌、前列腺癌、食管癌、胃癌和大肠癌等多种癌症的临床治疗。

  然而,天然紫杉醇来源稀缺且单一,仅能从珍稀濒危裸子植物红豆杉中提取,但红豆杉生长速度缓慢,极为稀少,素有“植物大熊猫”之称。不仅如此,紫杉醇在红豆杉植物中的含量极低,数千棵红豆杉中仅能提取出1公斤左右的紫杉醇,而治疗一名卵巢癌患者,需要十多株成长百年的红豆杉树。

  那么,如何不依赖红豆杉,实现紫杉醇的生物合成?这是摆在全世界科学家面前的一个难题。

  自20世纪80年代起,科学家便开始寻找一种可以替代天然提取紫杉醇的合成方法。1990年,美国率先研发出一条紫杉醇半合成路线,并迅速投入商业化生产,在此后的30余年内,全球上百个科研团队相继投入到紫杉醇的生物全合成研究中,但均未能实现突破。

  中国科学院院士赵国屏就认为,紫杉醇是人类迄今为止开发的最有效的抗癌天然产物药物,其异常复杂的化学结构决定了生物合成途径解析的空前难度。

  经过多年的探索,来自中国农业科学院深圳农业基因组研究所的闫建斌团队领衔解决了这一世界级难题,找到了一条无需消耗天然红豆杉资源、不依赖土壤种植的绿色可持续生产方法。

  生物合成紫杉醇有多难

  紫杉醇的生物合成途径高度复杂,涉及羟化、酰化、环氧化等多个生化反应和19个合成关键酶。

  想要实现紫杉醇在异源系统中的生物合成,需要突破3个难点:一是找到紫杉醇关键生物合成酶;二是解析关键合成酶的催化机制;三是通过酶的组合实现异源重建生物合成路线。

  自紫杉醇发现以来的半个世纪里,绝大多数紫杉醇合成相关基因均由欧美研究团队主导完成。最先进的紫杉醇提取技术、核心的红豆杉细胞生产技术和基因工程技术等,依然牢牢掌控在欧美制药公司的手中,如美国的百时美施贵宝公司、法国的赛诺菲公司等。

  中国本土研究突破始于首张南方红豆杉基因组蓝图。2021年,中国农业科学院深圳农业基因组研究所的闫建斌团队领衔绘制了国际首张染色体级别的南方红豆杉高质量参考基因组图谱,揭示了红豆杉合成抗癌药物紫杉醇的遗传基础,为紫杉醇生物合成途径的解析提供了基因组学蓝图和关键候选基因。相关研究成果以封面文章形式发表在国际学术期刊《自然植物》(Nature Plants)上。

  在此基础上,研究人员进一步对紫杉醇生物合成关键候选基因进行筛选,成功找到了紫杉醇生物合成途径中的两个缺失的关键酶,分别是催化紫杉烷C9氧化的酶“T9αH”和催化氧杂环丁烷环合成的细胞色素P450酶“TOT”。

  “要从众多的候选基因中找到最合适的酶,这项工作的难度无异于‘大海捞针’。”法国科学院外籍院士、美国加州大学戴维斯分校教授威廉·约翰·卢卡斯评价,“闫建斌团队做到了世界上许多著名科学家没有做到的事情。”中国科学院院士谢道昕也评价“这项研究是经历了‘十年磨一剑’的艰难历程才完成的”。

  为了更快速鉴定出缺失的关键酶,闫建斌团队自主建立了基于植物底盘的高效多基因筛选方法,最终解决了这一难题。TOT1酶反应机制的发现,颠覆了30年来人类对于该结构生成机制的传统认知,填补了仅在植物界中存在的环扩张反应生成含氧四元环结构的分子机制的缺失。

  研究人员利用人工异源合成途径构建策略,将这2个基因同其他7个已知的合成基因组合在一起,利用植物底盘实现了合成路线的人工重构,成功在植物底盘中以9个关键合成酶生成了紫杉醇工业化生产前体巴卡亭Ⅲ,实现了紫杉醇的异源合成。

  中国科学院院士陈晓亚认为:“闫建斌课题组及合作者们成功鉴定了紫杉醇生物合成途径中缺失的关键酶,揭示了紫杉醇氧杂环丁烷成环的酶学机制,发现了紫杉醇前体巴卡亭Ⅲ的最短异源生物合成路线,实现了紫杉醇生物合成途径的重构。该研究是植物代谢生物学与合成生物学领域的重大突破,为利用合成生物学技术实现紫杉醇的绿色可持续生产铺平了道路。”

  诺贝尔奖评审委员会委员延斯·尼尔森说:“在闫建斌研究员的这项研究中,他们发现了一种参与重要抗癌药物巴卡亭的生物合成的重要酶。这一发现是我们对复杂天然产物生物合成理解的重大突破,它将使我们有能力大规模生产其他有价值的天然产物,从而开发出有价值的新药。”

  赵国屏院士评论:“闫建斌研究员领衔完成的这一研究成果结束了阐明紫杉醇生物合成途径的漫长研究历史,标志着在天然化合物生物合成途径解析以及人工底盘通路重构方面的教科书式的突破;也生动代表着我国一批中青年科学家,在合成生物学领域探索奋斗近20年所达到的里程碑式新高度。”中国科学院院士邓子新也特别强调,该研究实现了紫杉醇合成生物学领域的引领性原创成果重大突破,为实现我国紫杉醇生物“智造”的自立自强奠定了坚实基础,具有里程碑意义。

  (作者系中国农业科学院深圳农业基因组研究所工作人员)

  马昕怡 来源:中国青年报

【编辑:付子豪】