解读合成生物技术生产甾体激素中间体的研究展望

何志清 漏佳伟 徐佳炀

摘要：甾体类药物在临床应用比较广泛，仅次于抗生素类药物，而这些不同结构的甾体药物分子结构都是通过甾体激素中间体衍生的。甾体激素中间体传统生产方式中包括化学合成和植物提取皂素法，这两种生产方式不仅反应结构单一，需要消耗的成本高，同时还会对环境产生污染。所以必须要对甾体激素中间体的生产技术进行研究，本文主要以合成生物技术为例对生产甾体激素中间体的方式进行解读，并对未来的发展趋势进行展望。

关键词：合成生物技术;甾体激素中间体;研究

甾体类药物是一种含有环戊烷多氢菲母核结构的激素类药物，比如常见的倍他米松、地塞米松等。甾体类药物与抗生素是二十世纪药物工业发展中的两大突破，对治疗呼吸系统、肿瘤以及内分泌等方面的疾病具有重要的作用。甾体类药物每年的销售量大，达到世界医药产品总额的10%。甾体类药物生产中甾体激素中间体是一种应用比较广泛的药物形式，具有非常强大的市场需求，但是传统生产工艺中成本高、产品单一以及生产污染等问题导致甾体类药物的发展受到限制，所以还需要加强对甾体激素中间体生产技术的完善。

一、合成生物技术在甾体激素类中间体生产的解读

（一）异戊二烯下游药物生产

合成生物是以工程学思维为基础的，设计和构建的新生物模块、元件、系统或者一种天然系统的具有新功能、用途的，能够满足人类发展要求的生物技术。合成生物技术当前已经被广泛的应用到能源、环境和醫药中，并取得了突破性的发展。当前已经出现多种细胞异戊二烯基础上的下游药物生产模式。将异戊二烯焦磷酸作为前体分子，并通过聚合、降解以及修饰等方式合成多种萜烯类药物，比如丹参酮、青蒿素、人参皂苷等，或者甾体激素类药物，比如黄体酮。

在青蒿素的生产中以美国加州大学伯克利分校的Jay教授为领军人物。Jay教授在2003年首次通过大肠杆菌表达青蒿素的克隆基因，并获得青蒿二烯。2006年课题组又通过酵母素对青蒿二烯合成酶的基因进行导入，并通过P450氧化酶实现酶基因的还原，生产青蒿酸。2008年开始加强对青蒿酸酵母菌的优化，通过发酵后获得青蒿酸。以此为基础，课题组还研究了人工蛋白支架，使大肠杆菌中不同的反应酶和分子数进行捆绑，通过协同作用对中间代谢物的积累进行有效的控制，提升产物的合成效率[1]。2009年通过基因来源的选择替代工业发酵，提升青蒿二烯的生产效率。2013年又引入了5个外援反应酶以及辅助蛋白模块，进一步提升青蒿酸的产量。

丹参酮是一种中药提取物，具有良好的抗肿瘤作用，近年来得到广泛的关注。2012年 科学院大连化学物理研究所以酿酒酵母为底盘细胞，构建模块。通过表达tHMG1，以及BST1＼ERG20等，再一次提升丹参酮二烯的产量，同时通过发酵罐培养酵母工程菌，使产量翻番十几倍。植物药源在提取的过程中会导致物种资源破坏以及高污染等情况，形成严重的生态问题，所以还需要加强对新功能元件合成生物技术的开发和研究，逐渐由传统天然提取的生产方式向微生物合成的方式进行转变。

（二）甾体激素中间体底盘细胞的构建

人体以及动物体内的甾体激素分子主要的来源为胆固醇的合成，在胆固醇合成过程中中鲨烯到酵母固醇以及酵母中路径一致，同时后期生产中酶的作用也基本相似，只有在末端生产过程中转化为胆固醇或者麦角固醇。而酿酒酵母是代谢工程、基因工程等方面比较常用的一种菌株，操作更便捷，有利于大规模的培养和发酵，同时遗传背景比较清晰，次生代谢产物单一，代谢的产物可以纯化，实现核心蛋白的理想表达。所以最为固醇类的底盘细胞具有非常强的优势[2]。

德国柏林工业大学课题组对尿就酵母內源固醇生物合成途径中涉及到的基因调控进行研究，并对tHMGR基因进行上调，提升酵母固醇前体物角鲨烯的产量。促进角鲨烯的固醇类物质转化，该课题组还对羊毛固醇C-14去甲基化醇酶基因以及角鲨烯环氧酶基因进行表达，提升下游总固醇的产量。

（三）甾体激素中间体元件挖掘和检验构建

酿酒酵母底盘系统通过改造和优化后，合成了分子类似物的外源胆固醇能力，通过人工路径的设计，进一步合成甾体类分析。动物细胞通过对胆固醇侧链的降解，剩余一个酮基反应，再通过细胞苏媚以及蛋白铁氧化与铁氧还蛋白还原酶ADR合成。2009年该研究组通过HIP-CoA转移酶基因与HIL-CoA脱氢酶基因失活反应，得到ADD、AD等重要的甾体中间体。并为其他微生物对甾体激素中间体的合成提供有效的思路，实现甾体激素药物中间体工艺的多元化发展，对我国甾体植物源天然产物资源的开发和应用具有重要的意义。

二、合成生物技术在甾体激素中间体生产的应用展望

通过对基因原件包括核糖体结合位点、启动子、终止子等根据工程化目标要求进行连接和重组就可以形成一个功能基因模块。再通过对已有的生物网络应用以及新功能基因模块的引入等无法表达天然细胞合成，或者合成的产物量过低。虽然合成生物技术已经出现新的方式和途径，但是仍然处于初步的发展阶段，生物合成路径较长的物质酶反应还存在一定的不足，容易限制反应的发展，所以必须要对合成路径进行进一步优化，提升合成产量。

在甾体激素中间体的生产中通过合成生物技术的应用中最常见的底盘细胞为酿酒酵母，同时内源固醇是细胞膜结构合成的底物细胞，对代谢路径的控制严格，但是通过对内源途径的控制和改进仍然可以提升固醇含量的空间。此外，在固醇类代谢中脂肪酸合成是重要的途径和方式，同时应用的前体主要为乙酰辅酶A，所以需要加强对乙酰辅酶A积累向内源固醇的转化，而向脂肪酸的转化，通过对这两条代谢途径的协调，为合成生物技术生产甾体激素中间体研究提供了重要的指导方向。

结语：

综上所述，甾体激素中间体是甾体类药物生产的关键原料，但是传统的生产方式中，由于产量低、成本高、污染严重等原因导致甾体类药物生产受到严重的限制，所以还需要加强对合成生物技术的研究，提升甾体激素中间体的产量和效率，并降低成本，减少或者消除污染。

参考文献：

[1]刘夺，张莹，周晓，等.合成生物技术生产甾体激素中间体的研究展望[J].生命科学，2013，25（10）：958-965.

[2]邵明龙，张显，徐美娟，等.全细胞转化合成甾体激素类药物中间体的研究[C].中国生物工程学会第十届学术年会暨2016年全国生物技术大会论文集.江南大学，2016：1-3.