把细菌变成药物生产工厂

前几天我们X-MOL报道了能吃PET塑料的细菌（点击这里阅读：《Science》： “吃”PET塑料的细菌），而在科学家的努力下，人类在微生物中的友军也在逐渐壮大。这不，最近在《PNAS》杂志上又发表了一篇文章，描述了利用大肠杆菌（Escherichia coli）来生产抗癌药物紫杉醇前体的方法，这样人类就能把这些小得肉眼看不见的细菌变成一个个药物工厂。（Overcoming heterologous protein interdependency to optimize P450-mediated Taxol precursor synthesis in Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, DOI: 10.1073/pnas.1515826113）

大肠杆菌。图片来源： Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

紫杉醇（taxol）是最为大家所知的抗癌药，自1970年以来很多证据已经证明它能够非常有效地对抗多种癌症。紫杉醇最初是从紫杉树的树皮中提取而得，分子结构非常复杂，难以合成，这就限制了紫杉醇作为药物的供应。

成本低、污染少的生物工程是制造复杂分子最有前途的策略，包括药品、保健品、香精香料等。利用细胞内的遗传和调控系统来产生目标产物，这相当于将现有的细胞转变成微型的工厂。紫杉醇，正是这种生物合成方法的候选目标之一。

直接生物合成紫杉醇太过困难，需要涉及多种代谢化学过程，包括聚合、环化和糖基化等，其中，氧合反应（oxygenation）是最有挑战也最关键的步骤。Manus Biosynthesis公司的Parayil Kumaran Ajikumar和Marjan De Mey等人选择了一个特定的紫杉醇前体作为目标，以优化当前代谢工程并克服其中的主要障碍，他们试图使用细胞色素P450（cytochrome P450）这种自然界中常见的加氧酶，在大肠杆菌中实现高水平的系统化氧合反应。不过一直以来，有正常功能的植物细胞色素P450在细菌中很难表达，这让大部分实验室都放弃了这一途径。

细胞色素P450结构示意图。图片来源：scottlab.info

Ajikumar和De Mey等人发现，细胞色素P450的表达和上游通路的某些酶的表达有关联，而且这是影响细胞色素P450功能的关键。据此，他们优化了细胞色素P450的表达、还原酶伙伴相互作用和N-末端修饰，在大肠杆菌中得到了目前报告最高的氧合紫杉烷浓度（∼570 ± 45 mg/L）。这也是第一次植物细胞色素P450在大肠杆菌中正常行使功能的报道，证明大肠杆菌这种生物工程种应用最广泛的细菌也有希望作为生产紫杉醇的生物工厂。他们说，“最终，这项工作推进了曾在过去五年里停滞不前的紫杉醇代谢工程。”

克服了异源蛋白相互作用的影响，并优化了紫杉醇前体的生物合成，这为进一步生物合成复杂的天然产物打下了基础。

1. http://www.pnas.org/content/early/2016/03/02/1515826113

2. http://phys.org/news/2016-03-coli-pharmaceutical-factory.html