细胞工厂如何实现天然产物的构建？ | 高瓴 Insight
青蒿素的发现及生产历史带来的核心启示之一是，生物技术革新不仅仅能够降本增效，更是对产业的革命性颠覆。这一技术背后的关键理念是合成生物学范式变革，即在工程学思想指导下，按照特定目标理性设计、改造乃至从头重新合成生物体系。通过生物合成法，引入工程化思维，对解决当前人类正在面临的新药研发创新困境带来了全新的思路：设计新的生物合成途径，以及挖掘更多可能成药的天然产物。
01. 天然产物是药物发现和创制的重要来源
天然产物的来源非常丰富，在农业、食品、军事等领域有广泛的应用，其作为疾病预防、治疗的历史最早可以追溯到上千年。20世纪以来，大量天然产物从各类动物、植物、海洋生物和微生物中被提取分离和成功鉴定，其中诸多高生理活性的分子被用以治疗疾病。
据统计，目前市场上超过40%的小分子药物来源于天然产物及其类似物，例如源于植物的奎宁和青蒿素，是治疗疟疾的特效药物；源于植物的紫杉、长春是广谱抗癌药物；源于微生物的青霉素、链霉素等。
虽然天然产物在人类已知化合物库中的占比较小，发展成为药物的比例却很高，尤其是在抗感染和抗肿瘤药物方面达到了50％。其中，微生物来源的天然产物是目前开发临床抗菌、抗肿瘤、免疫抑制剂等药物的重要资源。统计数据显示，2000年以后上市的22种抗菌药物中，有12种来自于微生物次级代谢产物；而世界药物市场上约70%的抗生素产品来自于微生物，其中2/3是由放线菌产生。
挖掘自然界中天然产物的价值，并以人工高效的方式制备天然产物，是学界和产业关注的两大研究热点。
与合成化合物相比，由于产生于自然，天然产物的结构和功能得以在长期进化过程中得以选择和优化，所具有的独特化学结构赋予了许多天然产物与特定靶点专一性结合的能力和良好的生物活性。
不过，虽然天然产物生物活性高，但其在生物体内含量很低，提取分离制备难度很高，制约了工业化利用。20世纪以来，有机化学家们通过有机反应实现天然产物在实验室内的全合成。例如，1965年，中科院上海生物化学研究所和上海有机化学研究所与北京大学化学系历时七年实现了牛胰岛素全合成，是世界上首次以氨基酸为原料、通过化学反应人工制备蛋白。
不过，化学合成法的局限性在于难以适配于结构高度复杂的分子，部分反应化学试剂昂贵且反应条件极其苛刻，整体合成效率较低。近年来，随着合成生物学技术的兴起以及AI、基因测序等基础技术的发展，通过构建微生物细胞工厂生物合成天然产物的路线，成为业界关注点。
02. 合成生物学可构建微生物细胞工厂
微生物细胞工厂是指能够按照人类意愿、高效生产相应产品的重组微生物。通过遗传操作，可以对微生物底盘细胞进行代谢功能改造，代谢途径优化等，使微生物细胞利用粗原料过量积累一种或者多种化学品，甚至去生产原本无法合成的产物。
合成生物学强调系统化设计和工程化构建，利用生物系统最基本的DNA、RNA和蛋白质等作为设计元件，再利用转录调控、代谢调控等生物功能把这些基本元件组装起来，形成生物模块，最后将这些生物模块连接成系统，从而获得重构或者非天然的“生物系统”，使生物体按照预期的方式实现各项生物学功能。
具体到微生物细胞工厂的构建过程中，需要解决诸多挑战。例如，超过99%的已知微生物难以在实验室培养，且容易在实验室生长速度缓慢、编码基因不表达；其二，天然产物的生物合成水平较低，野生型菌株的次级代谢产物合成水平通常在mg/L水平或更低，造成了活性天然产物分离鉴定和活性测定的困难。为此，合成生物学的主要解决方案包括，天然产物生物合成基因簇（BGCs）的体外拼接、异源表达以及体内重组优化等。
1. 底盘细胞的代谢调控
代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段。代谢工程的目标是通过改变和调控宿主体内的关键代谢途径或引入新的代谢途径来提高所需化学品和蛋白的产量等，包括关键酶催化底物范围的扩大、新型化学品的生产、产量的提高和细胞生产力与鲁棒性的增强等，涉及一系列不同的策略。
代谢途径的优化一般是在转录水平和翻译水平上进行优化，包括启动子、RNA调控元件、蛋白质水平等的优化。优化代谢路径的策略包括静态调控和动态调控。
静态调控包括调节启动子强度、核糖体结合位点或载体拷贝数，以实现路径反应通量平衡和消除瓶颈，从而提高产品产量。静态调控策略下，菌株生长往往受到一定削弱，其产物生产速率也会降低。另外，若涉及细胞生长必需基因，对其进行静态调控有相当大的难度，甚至导致细胞死亡。
因此，需要进行蛋白质按需表达的动态调控。使用可诱导启动子的动态调控使生长期与生产期分离，允许细胞在引导资源形成所需化合物之前先积累足够的生物。此外，当环境条件发生变化时，通过感知关键中间产物来调节蛋白质表达水平的动态调控，可以实时调整细胞代谢流量，进而调节资源的消耗，保持最佳水平。
实现精准有效的平衡菌体生理和目标化合物的高效合成是工业微生物技术追求的核心目标之一。代谢工程对生产性能的经济性有严苛的标准，需进一步开发新的代智能化动态调控系统。
由武汉大学孵化的合成生物学技术公司合生科技，其核心科研团队早在2010年就开始专注于天然产物的生物“智造”，以自研的4类高效微生物底盘为核心（大肠杆菌、酿酒酵母、放线菌、丝状真菌），利用“定向合成代谢”体系与自动化工作平台，实现新天然产物分子的高效挖掘与定向改造。
2. 异源表达
随着基因组学的发展和合成生物学技术发展，异源表达已被广泛应用于产生复杂天然产物。将生物合成活性分子的信息和能力从原宿主转移到遗传更友好的模式宿主中，能极大提高其生产能力和效率。另外，通过遗传操作在宿主中沉默某些基因，也有利于发现新的天然产物。
该技术已成为靶向药物生产的重要途径。常用的微生物表达系统主要有大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母和丝状真菌表达系统。以广谱抗肿瘤药物紫杉醇为例，科学家通过将设计改造的紫杉二烯合成酶导入大肠杆菌中，并对功能模块进行精确调控，获得生产紫杉醇前体化合物——紫杉二烯的菌种，产量比旧路线提高了1万倍以上。
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