整合代谢工程和合成生物学大肠杆菌合成紫杉醇重要前体

上一篇 / 下一篇  2010-10-11 15:36:34

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  众所周知,紫杉醇是重要的抗癌药物,其作用机制是抑制癌细胞的有丝分裂。紫杉醇对包括乳腺癌在内的多种癌症有很好的治疗效果,其最高销售额曾超过10亿美元。虽然随着专利的到期,其售价有了较大幅度的降低,但是其价格仍然相当昂贵,一个疗程的价格超过1万美元。 紫杉醇是植物来源的抗癌药物,最初治疗一个病人需要4-5棵太平洋红豆杉的树皮。由于太平洋红豆杉数量非常有限,生长周期很长,并且剥去红豆杉树皮后回导致红豆杉的死亡,因此使用红豆杉树皮来提取紫杉醇治疗癌症病人面临很强的伦理困境。面对此两难境地,科学发挥科学创新精神,开发出了红豆杉植物细胞培养技术来获取紫杉醇,随着研究是深入,科学家发现可将使用decorative yew的树叶提取紫杉醇的前体,使用化学合成的方法合成紫杉醇。由于decorative yew树叶来源很广,使用树叶也不会杀死树木本身,加之后续合成的高效性,这种提取加合成的方法称为紫杉醇的主要来源。化学全合成是获得化合物的主要手段之一,科学家经过努力也成功地合成了紫杉醇,由于紫杉醇结构复杂,化学合成需要35-50步,得率很低,因此紫杉醇的化学全合成科学意义很大,实际应用的价值不大。

  微生物具有底物利用广泛,生长速度快,研究深入,大规模生产容易等优点,非常适合药物的生产,与紫杉醇同为萜类化合物的青蒿素已经通过精确的途径改造和优化,已经实现了工业化生产,这表明通过代谢工程和合成生物学手段在微生物中合成宿主本身不产生的复杂小分子是可行的,也为后续的相关研究提供可供借鉴的策略和经验。 美国麻省理工大学和Tufts大学科学家沿着这个思路,合成紫杉醇的前体taxadiene和 taxadiene-5-alpha-ol。虽然大肠杆菌并不能够产生这两种物质,但是合成他们的前体IPP是大肠杆菌生理代谢过程中的一个中间产物,IPP能够通过两部的酶促反应合成taxadiene。催化后续两部反应的酶类已经从植物中克隆出来。

  美国科学家首先优化了IPP的生物合成,以大量生成IPP为后续的酶促反应提供底物。 IPP的生物合成有8个步骤,研究发现其中的四个步骤是限速步骤,通过提高限速步骤的酶量,控制整个催化的效率,大量的合成了IPP。接着讲植物的催化酶引入到工程菌株中,优化催化酶的密码子和表达水平,产生了大量的taxadiene。与只加入催化酶没有进行相关优化相比,其产量提高了1500倍,也比已有的文献报道的产量提高了1000倍。接着科学家有加入能够催化taxadiene合成 taxadiene-5-alpha-ol的酶类,将合成紫杉醇的途径有往前迈了一步。

  虽然离合成能够化学转化的前体浆果赤霉素(baccatin III)还有比较远的距离,但是本研究表明在弄清楚紫杉醇的合成途径后,使用大肠杆菌合成紫杉醇很有潜力。 本研究中使用的平台技术和手段对合成其他化合物具有通用性,因此使用代谢工程结合合成生物学手段将开启动植物来源的活性小分子微生物表达的大门。

  Source: “Isoprenoid Pathway Optimization for Taxol Precursor Overproduction in Escherichia coli” by Parayil Kumaran Ajikumar, Wen-Hai Xiao, Keith E. J. Tyo, Yong Wang, Fritz Simeon, Effendi Leonard, Oliver Mucha, Too Heng Phon, Blaine Pfeifer, Gregory Stephanopoulos. Science, 1 October, 2010. Funding: Singapore-MIT Alliance, National Institutes of Health and a Milheim Foundation Grant for Cancer Research


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