一个国际研究小组证明，经过改造的酵母细胞可以合成生产关键的癌症药物-- 长春碱(vinblastine)。在2019年的整个夏季和秋季，一些癌症患者的治疗被打断了。原因是缺乏关键的化疗药物长春碱和长春新碱(vincristine)，这些药物用于治疗几种形式的癌症。这些药物是从长春花植物的叶子中提取的，没有替代品。长春碱(又称长春花碱)是一种由该植物的活性成分文多林和长春质碱组成的化合物，可以抑制癌细胞的分裂。

尽管这种植物很常见，但制造1克长春碱需要多达2000公斤的干叶。这些材料的供应延迟是造成2019年短缺的主要原因，这种短缺一直持续到2021年。

来自丹麦技术大学和其他国际组织的科学家们对酵母进行了基因改造，以生产文多林和长春质碱。此外，他们还能够提纯和耦合这两种前体，以创造出乙烯利。因此，已经发现了一种生产这些药物的新的合成方法。研究人员的发现最近发表在《自然》杂志上。

这项研究可能会产生完全不受影响作物种植的因素(如植物疾病和自然灾害)的新的文多林、长春质碱和其他生物碱来源。据DTU Biosustain高级研究员、新论文的主要作者张杰说，由于制造这些化合物的基本成分是面包酵母和简单的可再生底物，因此生产也不容易受到大流行病和全球物流挑战的影响。

“在过去的几年里，我们已经看到了这些药物在市场上出现了几次短缺的情况。这些事件发生的频率越来越高，并且很可能在未来再次发生。当然，我们设想为这些和其他分子建立新的供应链。这个结果是一个概念证明，在扩大规模和进一步优化细胞工厂，以具有成本效益的方式生产这些成分方面，还有很长的路要走。”

抗癌药物的可能新供应链

除了是第一个展示这些抗癌基本药物的全新供应链的研究，该研究还展示了插入微生物细胞工厂的最长的生物合成途径--或"装配线"。据张杰说，后者本身就是一个很有希望的结果。

长春碱属于所谓的单萜类吲哚生物碱(MIAs)。MIAs具有很强的生物活性，对治疗各种疾病很有帮助。然而，它们是高度复杂的分子，因此，很难合成生产。这项研究旨在证明研究人员可以做到这一点。

“为了证明微生物制造所有MIAs的可行性，我们选择了植物化学中已知的最复杂的化学品之一。当我们在2015年开始的时候，我们并不知道制造长春碱所需的全部途径。我们也没有意识到社会所面临的短缺问题。这是我们所知道的最长的路径，我们知道它很可能编码了30多个酶促反应。最大的挑战是如何用30多个步骤对单个酵母细胞进行编程，并确保重新编程后的细胞能按需要发挥功能，同时能够维持自身。这是主要的挑战，也是我们研究的最大部分。”张杰说：“这一点都不简单。”

丹麦技术大学的高级研究员和该研究的通讯作者之一Michael Krogh Jensen补充说：“我们必须在细胞的装配线上安排合适的‘人员’。我们还需要来自酵母细胞中已有的其他装配线的补充，以使其顺利工作。我们需要所谓的辅助因子。你还需要确保，与此同时，细胞中其他基本功能的起始材料也要到位。”

该团队进行了56次基因编辑，将31个步骤的生物合成途径编入面包酵母。尽管这项工作很困难，而且还需要做更多的工作，但作者预计，酵母细胞将成为一个可扩展的平台，在未来生产3000多种自然发生的MIAs和数百万种新的自然类似物。

“在这个项目中，我们正在寻找制造人类健康所必需的复杂化学的新方法，尽管该技术也可能在农业和材料科学中有用。生物技术提供了一些令人兴奋的东西，因为化学合成难以规模化，而且自然资源是有限的。我们认为需要第三种方法。发酵或全细胞制造。”Michael Krogh Jensen说：“将自然界中已知的装配线插入微生物细胞中，使细胞能够生产其中一些复杂的化学品。”

据作者称，在他们的新平台上现在可能生产的许多新的基本MIA中，有化学治疗药物长春新碱、伊立替康和托泊替康。所有这些药物都与长春碱一起被列入世界卫生组织的基本药物清单。

酵母细胞在药品生产中显示出了前景

这项研究进一步强调了合成生物学的最新发展，其中工程酵母被用于药品生产。细胞工厂现在可以生产的其他分子包括治疗癌症、疼痛、疟疾和帕金森病的潜在药物。

利用廉价和可再生的基质在工业规模的发酵器中生产原本来自植物的药物，可能会缓解未来的短缺，并创造一个独立于养殖或稀有生物的更可持续的经济。

通讯作者Jay D. Keasling是加州大学伯克利分校化学与生物分子工程系教授和DTU Biosustain的科学主任，长期以来一直是合成生物学的先驱，在利用合成生物学生产基本分子方面处于领先地位。例如：2003年，他成功地设计了大肠杆菌来生产抗疟药物青蒿素的前体。后来，他将整个途径设计到酵母细胞中，就像现在酵母细胞可能被用来生产文多林和长春质碱。

“我们在酵母中构建的代谢途径是迄今为止在微生物中重组的最长的生物合成途径。这项工作表明，非常长和复杂的代谢途径几乎可以从任何生物体中提取，并在酵母中重组，以提供急需的治疗药物，而这些药物用合成化学方法合成起来太复杂了。由于酵母本身是可扩展的，这种工程化的酵母有一天可以提供长春碱以及这个天然产品系列中的其他3000个相关分子。这不仅会增加供应量并降低消费者购买这些产品的成本，而且生产也是环保的，因为它消除了从敏感的生态系统中收获有时是罕见的植物来获得这些分子的需要。”