什么是天然產(chǎn)物的生物合成和組合生物合成
以包括抗生素在內(nèi)的天然化合物為基礎(chǔ)研制和開發(fā)新藥，是生物、化學(xué)和醫(yī)藥界長期關(guān)注的重點領(lǐng)域。雖然天然產(chǎn)物在整個已知化合物中的比例很小，但以天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)發(fā)展成為藥物的比例卻很高，尤其是在抗感染和抗腫瘤藥物方面達(dá)到了50％左右[1-3]。以抗生素為例，至2000年，世界上已報道的抗生素種類約為16, 000多個，平均每年以500個左右的數(shù)量遞增，而應(yīng)用于臨床的抗生素已達(dá)到100多個[4]。許多天然產(chǎn)物屬于次生代謝的范疇；與初級代謝產(chǎn)物不同，盡管它們與基本的生命現(xiàn)象無關(guān)，但與生物間的信號傳遞、競爭拮抗等生理功能相關(guān)。它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，這和表現(xiàn)出的生物活性是相對應(yīng)的。天然產(chǎn)物的產(chǎn)生------即如何從小分子的前體經(jīng)過順序協(xié)作的酶催化反應(yīng)形成不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)------是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，不但包括多步驟的生物合成途徑，還需要對代謝網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制。天然產(chǎn)物的生物合成（Biosynthesis）機(jī)制研究，是從分子遺傳學(xué)和生物化學(xué)水平對于這一天然過程的理論揭示。在生物體內(nèi)、通過對次生代謝途徑的闡明，將回答生物、化學(xué)和藥學(xué)家們所共同關(guān)注的基本問題：自然界中存在著哪些生物化學(xué)反應(yīng)？這些生化反應(yīng)的酶學(xué)機(jī)制是什么？這些酶催化反應(yīng)如何聯(lián)系在一起，通過順序協(xié)作的方式共同負(fù)責(zé)具有復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物形成？在生物體內(nèi)，這一連續(xù)的酶催化反應(yīng)過程是如何調(diào)控的？最終，我們將如何控制這一代謝途徑，以達(dá)到提高天然產(chǎn)物的產(chǎn)量或發(fā)現(xiàn)和發(fā)展更具有臨床應(yīng)用價值的藥物的目的。
與合成化合物相比，天然產(chǎn)物在化學(xué)結(jié)構(gòu)方面體現(xiàn)了更為復(fù)雜和豐富的多樣性。由于產(chǎn)生于自然，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能（多樣的生物活性）在長期的進(jìn)化過程中得以選擇和優(yōu)化，所具有的獨特化學(xué)結(jié)構(gòu)賦予了許多天然產(chǎn)物與特定靶點專一性結(jié)合的能力和良好的生物活性，使之可以作為藥物直接用于疾病的治療。這些化合物在藥物研究和開發(fā)領(lǐng)域具有十分重要的地位，包括抗感染的紅霉素（Erythromycin）、青霉素（Penicillin）和萬古霉素（Vancomycin）；抗腫瘤的柔紅霉素（Daunorubicin）、博來霉素（Bleomycin）和埃博霉素（Epothilone）；免疫抑制劑環(huán)孢素A（Cyclosporin A）和雷帕霉素（Rapamycin）等。另一方面，隨著近年來國際上“化學(xué)生物學(xué)”這一新興交叉學(xué)科的出現(xiàn)，科學(xué)家們越來越重視利用化學(xué)的手段來深入研究一些復(fù)雜的生命現(xiàn)象，例如免疫識別、細(xì)胞凋亡等[5]。其中，作為化學(xué)生物學(xué)基本研究工具的化學(xué)探針，有許多就是這些具有良好生物活性的天然產(chǎn)物及其類似物，它們?yōu)楹蠡蚪M研究提供了一個可以以不同時間、不同劑量和可逆操作的方式來檢測蛋白質(zhì)功能的方法。但是由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得人們很難合成足夠量的化合物進(jìn)行較深入的生理和藥理活性研究。因此，通過生物合成的方式來獲得這些化合物就成為了一個很好的選擇。
圖1：組合生物合成的原理和方法
作為化學(xué)合成的有力補(bǔ)充，組合生物合成（Combinatorial Biosynthesis）是近年發(fā)展起來的一種擴(kuò)展天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣性、以滿足藥物發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的新方法[6-8]。它以微生物作為“細(xì)胞工廠”，通過對天然產(chǎn)物代謝途徑的遺傳控制來生物合成新型復(fù)雜化合物，并采用微生物發(fā)酵的方式達(dá)到大量生產(chǎn)的目的：一方面特異性地遺傳修飾天然產(chǎn)物的生物合成途徑，以此獲得基因重組菌株，生產(chǎn)所需要的天然產(chǎn)物及其結(jié)構(gòu)類似物；另一方面，將不同來源的天然產(chǎn)物生物合成基因進(jìn)行重組，在微生物體內(nèi)建立組合的新型代謝途徑，由此重組微生物庫所產(chǎn)生的新型天然產(chǎn)物構(gòu)成的類似物庫，有利于從中發(fā)現(xiàn)和發(fā)展更具有應(yīng)用價值的藥物（圖1）。與化學(xué)合成相比，目的代謝產(chǎn)物可以由獲得的重組菌株發(fā)酵大量生產(chǎn)，因而可以降低生產(chǎn)成本和減少環(huán)境污染。近年來國際上針對抗生素代謝途徑的組合生物合成取得了顯著進(jìn)展，一些重要抗生素的產(chǎn)量獲得明顯提高，大量復(fù)雜藥物的結(jié)構(gòu)類似物作為新型的微生物代謝產(chǎn)物被生物合成。例如，Hutchinson等人在抗腫瘤抗生素柔紅霉素（Daunorubicin，聚酮）的產(chǎn)生菌Streptomyces peucetius中，將糖基上催化4位羥基形成的酮基還原酶基因dnmV置換為催化構(gòu)型相反的酶基因avrE，由此構(gòu)建的重組菌株可以直接產(chǎn)生毒副作用較低的腫瘤化療藥物表柔紅霉素（Epirubicin），改善了此前從柔紅霉素出發(fā)、通過化學(xué)半合成獲得表柔紅霉素的復(fù)雜而且低效的化學(xué)工藝[9]；Balz等人采用結(jié)構(gòu)類似物生物合成基因重組的方法對脂肽類抗生素達(dá)托霉素（Daptomycin，于2003年應(yīng)用于臨床的抗感染藥物）進(jìn)行結(jié)構(gòu)衍生，獲得了一系列活性與原化合物相當(dāng)?shù)男滦涂股兀渲幸粋€化合物由于增加了細(xì)胞膜的通透性而表現(xiàn)出更高的生物活性[8]；Schmidt等人在基因水平對抗腫瘤抗生素小盤酰氨（Patellamide，來源于海洋微生物）前體肽氨基酸的組成進(jìn)行改變，利用原修飾酶體系成功地合成了一種新型環(huán)肽類抗生素，其結(jié)構(gòu)與臨床上使用的抗凝血劑Eptifibatide十分相似[10]。值得注意的是，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類似物采用化學(xué)合成的方法都是很難獲得的。這些研究充分體現(xiàn)了組合生物合成在新藥發(fā)現(xiàn)和發(fā)展方面的巨大潛力。
作為一種發(fā)現(xiàn)和發(fā)展新藥的新途徑，組合生物合成的巨大影響力無論是在學(xué)術(shù)研究還是工業(yè)領(lǐng)域，正逐漸為科學(xué)家們所認(rèn)同。它的成功運用，關(guān)鍵是在基因和蛋白功能水平上認(rèn)識和理解復(fù)雜抗生素的生物合成及其調(diào)控機(jī)制，這是在微生物體內(nèi)針對代謝途徑進(jìn)行遺傳操作的分子和生化基礎(chǔ)。
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