合成生物学在医药领域的应用

尹怡，刘继科

（1.长沙长郡中学，湖南长沙410013；2.长沙市规划信息服务中心，湖南长沙410000）

合成生物学在医药领域的应用

尹怡1，刘继科2

（1.长沙长郡中学，湖南长沙410013；2.长沙市规划信息服务中心，湖南长沙410000）

随着自然科学的发展，催生了21世纪工程学和生物科学交叉领域的合成生物学。当前，合成生物学广泛应用于环境、可再生能源、人体健康及药物领域，由方兴未艾快步走向飞速发展阶段。本文将在介绍合成生物学发展进程的基础上，着重就其在青蒿二烯、紫杉二烯2种合成药物上的应用进行讨论，并对合成生物学的发展前景进行展望。

合成生物学；医药应用；青蒿二烯；紫杉二烯

合成生物学是伴随科技发展，衍生出的一门新兴的交叉学科，逐渐由方兴未艾到了快速发展的阶段。近年来，合成生物学在生命再造领域得到了前所未有的发展。2010年，著名的生物学家汉密尔顿·史密斯和克雷格·文特尔在权威的学术期刊《科学》上成功宣布人类首个“人造细胞生物”——完整的细菌染色体，这种生物便是化学合成方法的应用成果。后来，他们顺利将这一成果应用到去除山羊支元体细胞内的原基因组，受到了生物学研究领域的广泛关注。

1 合成生物学的发展进程

合成生物学源远流长，经历了将近一个世纪的发展历程。

1.1 概念的提出

合成生物学字眼的出现，还是1911年著名医学刊物《柳叶刀》中的一篇书评，60年后的1974年，波兰遗传学家Waclaw Szybalski首次提出了合成生物学的概念[1]。合成生物学概念的再次提出是在2000年美国化学年会上。会上，Kool站在系统生物学遗传工程的角度，重新提出了合成生物学的概念，他认为合成生物学应定义为建立在系统生物学遗传工程之上的一种人工设计和合成学科。

1.2 学科领域的诞生

著名的《自然》杂志，于2000年1月，发表了2篇由Gardner、Elowitz等撰写的基于大肠杆菌的基因开关（Toggle Switch）、合成的双稳态基因调控网络和第一个合成生物振荡器——压缩震荡子的文章。这两篇论文的发表，标志着合成生物学作为一个新领域诞生[2]。2002年，历史上第一个人工合成的生物脊髓灰质炎病毒基因组被Wimmer小组制造产生，这个成果开创了无生命合成感染性病毒的先例。

1.3 学科层次的完善与发展

2005年，美国Cellincon合成生物公司成立和麻省理工学院Endy对“标准化”“概念抽象化”等做法的提出，将涉及生物系统的合成生物学分为了部件、DNA、系统与装置4个层次。随着合成生物学的发展，在2005年，Endy等借助国际遗传工程机器大赛在生物模块（BioBrick）登记处收集了生物标准化零件，这验证了合成生物学在工程设计领域得到前所未有的发展。

1.4 人造细胞技术的里程碑式发展

2010年，合成生物学领域人造细胞工程得到了开创性的进步。标志性的成就便是文特尔成功实现了支原体基因组到山羊支原体细胞内除原基因组的转入，生命体基因组的自我复制和新生菌株生存能力得到顺利获取，制造出了人类历史上第一个人造基因组活细胞，在合成生物学发展历程上具有里程碑式的意义。

2 合成生物学在医药方面的应用

2.1 青蒿二烯的生物合成

合成生物学应用于医药开发，较为典型的是用于青蒿二烯的合成。2003年，杰伊·科斯林团队成功研究出了制造青蒿二烯的新方式，用于抵抗疟疾。他们在完成新基因资料的收集工作后，分2种方法在大肠杆菌中合成青蒿二烯。第一种方式是以Acetyl-CoA为出发点，采取脱离大肠杆菌原本的G3P和乙酰甲酸的前身来制造ⅠPP，相比传统的异戊二烯焦磷酸DXP研究方法，能让细胞在新方式代谢出异戊二烯焦磷酸分子，为后续制造提供更多的底物分子。第二种方式是以C5的异戊二烯焦磷酸为出发点，结合ADS酶的作用，以戊二烯链拉长方式C15的FPP作用下制造出青蒿二烯，并且可达到最高形成量122mg/L。青蒿二烯上下游合成模式都来自于真核生物的代谢功能，同时生成于原核生物大肠杆菌中，实现了生物制造的新方式。

2006年，Keasling小组把酵母菌作为宿主，将酵母内源Aacetyl-CoA到法尼基焦磷酸的基因进行上下调整，并加入经过基因优化的外源模块，最终成功促进了青蒿二烯产量的提高。在具体操作中，可采取两种措施对内源基因进行上调，第一种方法为增加基因的copy number，第二种方法则是借助转录因子对基因的表达量进行上调。而在内源基因的下调上，主要采取基因敲除方法，即采取一系列微调手段对合成路径中的基因进行调整，令其产量达到153mg/L，产量较之过往报道中的二烯类分子产量高近500倍。青蒿二烯药物在大肠杆菌中的两种方法的成功合成，通过基因模块优化调整，实现了合成药物的产量提升。

2.2 紫杉二烯的生物合成

2010年，格雷戈里·斯迪法诺普洛斯率领的研究小组在大肠杆菌的研究中成功合成了抗癌药物Paclitaxel的前体紫杉二烯，这是该小组成员对大肠埃希氏菌细胞微调和萜类化合物新陈代谢途径长期研究的成果[3]。该小组成员将内源的规聚丙烯类物质的合成途径视作上游模块，并且将紫杉二烯的合成视为下游模块，其研究重点则在于如何对上游规聚丙烯类物质的合成与下游紫杉二烯的合成进行微调。

该研究小组通过启动子强度以及改变质粒拷贝数的办法对上下游模块的通量比例进行微调处理。在查阅整理大量相关文献以及做好前期准备测试工作的基础上，格雷戈里·斯迪法诺普洛斯研究小组分别确定了3种质粒的拷贝数和3种启动子的强度，其中PSC101的拷贝数5，P15A的拷贝数是10，PBR的拷贝数是20，而且整个基因组内的融合基因的拷贝数为1，Trc的强度为1，T5的强度为2，T7的强度为5。

通过对上述几类启动子与质粒的组合搭配，对上下游模块通量进行微调，然后检测上下游通量比例的变化造成的细胞内产物产量变化。在通量微调中，模块内部基因贩子顺序的表达形式也是影响产物产量的重要因素。经过一系列的组合与微调，从而取得具有最有形状的菌株，产物产量高达1 020±80mg/L，进而成功实现对于碳代谢流的协调与高效利用。与此同时，该研究小组利用蛋白工程手段对细胞色素P450进行氧化还原酶的改造，这是工程菌异源表达的初次成功。通过组合与微调，合成生物学成功实现了抗癌药物Paclitaxel的前体紫杉二烯的合成、产量的提升、工程菌异源的成功表达。

3 展望

合成生物学研究成果除了成功应用于本文中大肠杆菌中青蒿二烯合成药物和抗癌药物的前体紫杉二烯的开发与优化，在医药的疫苗生产、生物传感器研发、新药研究等领域也展现了广泛的应用前景，这些都离不开合成生物学的发展与支持。在生物合成学不断成熟的背景下，其必将促进整个医药领域的进一步发展。伴随生物技术的发展，合成生物学有了充分的条件进行细胞的人工大尺度改造，基因组DNA合成技术、自动化重组技术和微流体技术等技术为创造和生产新型生物产品提供了坚强的技术保障。

在应用扩展的同时，合成生物学的发展也面临一些发展瓶颈。就DNA合成技术来讲，如ENEART公司在合成服务上，对每对碱基定价为0.39美元，但仍不能做到高度保真和效用，DNA大片段基因组的低成本合成仍不能实现。在应用合成生物学制造新生物和新产品时，研究者将持续遇到这些棘手的问题，寻求得到突破性进展，以保证细胞合成的协调、稳定、可控和高效。

[1]母彩霞,俞文彬.合成生物学在医药中的应用[J].应用科技,2014,41(13):277.

[2]白卫东,沈颖,刘晓艳,等.响应面优化荔枝酒混菌发酵工艺的研究[J].河南工业大学学报(自然科学版),2013,34(1):57-62.

[3]Nakagawa A,Minami H,Kim J S,et al.A bacterial platformfor fermentative production of plant alkaloids[J].NatCommun,2011,2(2):326-327.

Application of Synthetic Biology in Medicine

Yin Yi1,Liu Ji-ke2
(1.Changsha Changjun High School,Hunan Changsha 410013;2.Changsha Planning Information Service Center,Hunan Changsha 410000)

With the development of natural science,the synthetic biology in the field of engineering and biological science was born in twenty-first Century.At present,synthetic biology is widely used in the fields of environment,renewable energy,human health and medicine.On the basis of introducing the development of synthetic biology,this paper focused on the discussion of the application of two kinds of synthetic drugs in the synthesis of artesunate and taxanes,the prospect of synthetic biology is also prospected.

Synthetic biology;Medical application;Artesunate;Taxane

TQ460.1

A

2096-0387（2017）03-0108-03

尹怡（2000-），男，汉，湖南洪江人，研究方向：医药。