经工程改造的酵母，使糖发酵成化疗药物前体

酵母经过基因工程改造，可以生产一种化疗药物的前体，这种药物通常来自植物。然后，该团队使用已建立的半合成方法将前体耦合起来长春花碱．这项工作表明，这种微生物细胞工厂可以促进长春碱和数千种其他天然产物的供应，并产生无限可能具有药学前景的类似物，这些类似物在自然界中并不存在。

长春碱于1958年首次从马达加斯加长春花中分离出来，Catharanthus roseus也叫．单萜吲哚生物碱(MIA)通过阻断快速生长的细胞被广泛用于治疗几种类型的癌症。它被列入世界卫生组织的基本药物清单，2020年，美国食品和药物管理局将其列为短缺药物。

长春碱通常是通过从长春花中提取和纯化两种前体，即长春花碱和长春花碱而制成的，因为长春花碱本身在植物中只会产生少量的应激反应。因此，需要半合成来化学耦合这些前体以形成长春碱。然而，整个过程都很昂贵——原料依赖于长春花作物，500公斤干长春花只需要生产1克长春碱。

虽然已经探索了多步合成化学方法，但mia的复杂立体化学意味着这种方法不太可能产生工业规模的数量。然而，在2019年，产生长春碱的生化途径Catharanthus roseus也叫这是最长的MIA路径之一，有31个台阶。这为使用合成生物学制造这种化合物提供了可能性，尽管有这么多步骤具有挑战性。

成功的步骤

现在，一个国际团队通过调整面包酵母的遗传机制来模拟长春碱的生化途径，已经做到了这一点。尽管这一途径的31个步骤都没有实现，但研究人员只差一步，就能诱导酵母产生两种前体，catharanthine和vindoline。然后在体外进行光化学耦合制作长春碱。

实现这一目标“非常激动人心”迈克尔•詹森丹麦技术大学的实验室领导了这项工作Jay Keasling的团队在美国加州大学伯克利分校。“当我们观察到我们可以在一个细胞中制造这两种中间产物时，我们知道理论上我们应该有足够的产物来进行耦合。”

为了制造“微生物细胞工厂”，研究小组对面包酵母的基因组进行了56次基因编辑，包括34个来自植物的基因的表达，以及10个酵母基因的缺失、敲除和过表达。

在c . roseus也叫在生物合成途径中，必需的酶至少分布在5个不同的细胞区室中，需要在不同的组织和细胞类型之间进行复杂的化合物穿梭。为了在酵母中实现这一目标，该团队将30步通路划分为三个不同的模块，每个模块沿通路产生特定的中间体。然后，研究小组在不同的酵母菌菌株中优化了每个模块，最终将它们全部组合在一个菌株中。

用葡萄糖、氨基酸色氨酸和半乳糖喂养工程酵母。经过11天的发酵，该酵母可产生91.4μg/升的catharanthine和13.2μg/升的vindoline。

失踪的酶

詹森解释说，尽管筛选了多种候选物质，但无法确定被认为是罪魁祸首的过氧化物酶，因此无法进行长春碱的最后一步。詹森说:“过氧化物酶的缺失令人失望，但对于这一步骤是否通过酶催化存在很多争议。”“采用化学耦合最终并没有让人感到失望。毕竟，半合成技术是行业标准。”

“这项研究完美地展示了代谢工程在提供可扩展的解决方案来获取高价值化合物方面的力量，这些化合物是难以合成的目标，”评论道保罗比赛他在英国布里斯托尔大学研究天然产物合成。

Jensen说:“基于发酵的生产有可能减少自然和稀缺资源的作物种植，限制浪费流，使基本药物的生产民主化和区域化。”然而，他指出，现在还处于早期阶段，因为目前的菌株还没有生产出相应数量的商业规模。

Race说:“特别令人兴奋的是，利用微生物平台有可能获得3000多种与化学相关的单萜吲哚生物碱，其中许多生物碱本身就是高价值的靶标。”“尽管肿瘤学管道充满了新的前瞻性先导，但很明显，来自自然来源的分子保留了治疗的竞争优势，这保证了本研究中所投入的努力和投资，以确保它们的供应。”