以包括抗生素在内的天然化合物为基础研制和开发新药，是生物、化学和医药界长期关注的重点领域。虽然天然产物在整个已知化合物中的比例很小，但以天然产物为基础发展成为药物的比例却很高，尤其是在抗感染和抗肿瘤药物方面达到了50％左右[1-3]。以抗生素为例，至2000年，世界上已报道的抗生素种类约为16, 000多个，平均每年以500个左右的数量递增，而应用于临床的抗生素已达到100多个[4]。许多天然产物属于次生代谢的范畴；与初级代谢产物不同，尽管它们与基本的生命现象无关，但与生物间的信号传递、竞争拮抗等生理功能相关。它们的化学结构往往十分复杂，这和表现出的生物活性是相对应的。天然产物的产生------即如何从小分子的前体经过顺序协作的酶催化反应形成不同的化学结构------是一个相当复杂的过程，不但包括多步骤的生物合成途径，还需要对代谢网络的协调控制。天然产物的生物合成（Biosynthesis）机制研究，是从分子遗传学和生物化学水平对于这一天然过程的理论揭示。在生物体内、通过对次生代谢途径的阐明，将回答生物、化学和药学家们所共同关注的基本问题：自然界中存在着哪些生物化学反应？这些生化反应的酶学机制是什么？这些酶催化反应如何联系在一起，通过顺序协作的方式共同负责具有复杂化学结构的天然产物形成？在生物体内，这一连续的酶催化反应过程是如何调控的？最终，我们将如何控制这一代谢途径，以达到提高天然产物的产量或发现和发展更具有临床应用价值的药物的目的。

与合成化合物相比，天然产物在化学结构方面体现了更为复杂和丰富的多样性。由于产生于自然，它们的化学结构和功能（多样的生物活性）在长期的进化过程中得以选择和优化，所具有的独特化学结构赋予了许多天然产物与特定靶点专一性结合的能力和良好的生物活性，使之可以作为药物直接用于疾病的治疗。这些化合物在药物研究和开发领域具有十分重要的地位，包括抗感染的红霉素（Erythromycin）、青霉素（Penicillin）和万古霉素（Vancomycin）；抗肿瘤的柔红霉素（Daunorubicin）、博来霉素（Bleomycin）和埃博霉素（Epothilone）；免疫抑制剂环孢素A（Cyclosporin A）和雷帕霉素（Rapamycin）等。另一方面，随着近年来国际上“化学生物学”这一新兴交叉学科的出现，科学家们越来越重视利用化学的手段来深入研究一些复杂的生命现象，例如免疫识别、细胞凋亡等[5]。其中，作为化学生物学基本研究工具的化学探针，有许多就是这些具有良好生物活性的天然产物及其类似物，它们为后基因组研究提供了一个可以以不同时间、不同剂量和可逆操作的方式来检测蛋白质功能的方法。但是由于化学结构的复杂性，使得人们很难合成足够量的化合物进行较深入的生理和药理活性研究。因此，通过生物合成的方式来获得这些化合物就成为了一个很好的选择。

图1：组合生物合成的原理和方法

作为化学合成的有力补充，组合生物合成（Combinatorial Biosynthesis） 是近年发展起来的一种扩展天然产物结构多样性、以满足药物发现和发展的新方法[6-8]。它以微生物作为“细胞工厂”，通过对天然产物代谢途径的遗传控制来生物合成新型复杂化合物，并采用微生物发酵的方式达到大量生产的目的：一方面特异性地遗传修饰天然产物的生物合成途径，以此获得基因重组菌株，生产所需要的天然产物及其结构类似物；另一方面，将不同来源的天然产物生物合成基因进行重组，在微生物体内建立组合的新型代谢途径，由此重组微生物库所产生的新型天然产物构成的类似物库，有利于从中发现和发展更具有应用价值的药物（图1）。与化学合成相比，目的代谢产物可以由获得的重组菌株发酵大量生产，因而可以降低生产成本和减少环境污染。近年来国际上针对抗生素代谢途径的组合生物合成取得了显著进展，一些重要抗生素的产量获得明显提高，大量复杂药物的结构类似物作为新型的微生物代谢产物被生物合成。例如，Hutchinson等人在抗肿瘤抗生素柔红霉素（Daunorubicin，聚酮）的产生菌Streptomyces peucetius中，将糖基上催化4位羟基形成的酮基还原酶基因dnmV置换为催化构型相反的酶基因avrE，由此构建的重组菌株可以直接产生毒副作用较低的肿瘤化疗药物表柔红霉素（Epirubicin），改善了此前从柔红霉素出发、通过化学半合成获得表柔红霉素的复杂而且低效的化学工艺[9]；Balz等人采用结构类似物生物合成基因重组的方法对脂肽类抗生素达托霉素（Daptomycin，于2003年应用于临床的抗感染药物）进行结构衍生，获得了一系列活性与原化合物相当的新型抗生素，其中一个化合物由于增加了细胞膜的通透性而表现出更高的生物活性[8]；Schmidt等人在基因水平对抗肿瘤抗生素小盘酰氨（Patellamide，来源于海洋微生物）前体肽氨基酸的组成进行改变，利用原修饰酶体系成功地合成了一种新型环肽类抗生素，其结构与临床上使用的抗凝血剂Eptifibatide十分相似[10]。值得注意的是，这些复杂的结构类似物采用化学合成的方法都是很难获得的。这些研究充分体现了组合生物合成在新药发现和发展方面的巨大潜力。

作为一种发现和发展新药的新途径，组合生物合成的巨大影响力无论是在学术研究还是工业领域，正逐渐为科学家们所认同。它的成功运用，关键是在基因和蛋白功能水平上认识和理解复杂抗生素的生物合成及其调控机制，这是在微生物体内针对代谢途径进行遗传操作的分子和生化基础。

作者：刘文from 公众号【遇见生物合成】

参考文献：

[1] Newsman D J, Cragg G M, Snader K M. Natural products as sources of new drugs over the period 1981-2002 [J]. Journal of Natural Products, 2003, 66: 1022-1037.

[2] Butler M S. The role of natural product chemistry in drug discovery [J]. Journal of Natural Products, 2004, 67: 2141-2153.

[3] Newsman D J, Cragg G M. Natural products as sources of new drugs over the last 25 years [J]. Journal of Natural Products, 2007, 70: 461-477.

[4] Demain A L. Small bugs, big business: The economic power of the microbe [J]. Biotechnology Advances, 2000, 18(6): 499-514.

[5] 张礼和, 王梅祥. 化学生物学进展[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005。

[6] Khosla C, Keasling J D. Metabolic engineering fro drug discovery and development [J]. Nature Reviews, 2003, 2: 1019-1025.

[7] Floss H G. Combinatorial biosynthesis: potential and problems [J]. Journal of Biotechnology, 2006, 124(1): 242-257.

[8] Baltz R H. Molecular engineering approaches to peptide, polyketide and other antibiotics [J]. Nature Biotechnology, 2006, 24(12): 1533-1540.

[9] Madduri K, Kennedy J, Rivola G, et al. Production of the antitumor drug epirubicin (4'-epidoxorubicin) and its precursor by a genetically engineered strain of Streptomyces peucetius. Nature Biotechnology 1998, 16: 69-74.

[10] Donia M S, Hathaway B J, Sudek S, et al. Natural combinatorial peptide libraries in cyanobacterial symbionts of marine ascidians. Nature Chemical Biology, 2006, 2: 729-735.

未经允许不得转载：hth网页入口»什么是天然产物的生物合成和组合生物合成？