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精彩回顾 | 天然产物智能制造与创新发现

2020/6/14 16:34:28      点击:

前言2020528日,中国医师协会临床精准医疗专业委员会和转化医学网利用网络平台联合举办了第二场精准医学新发展系列在线直播研讨会,武汉大学药学院刘天罡教授受邀进行了关于合成生物学方面的科学讲座,以下是对刘教授所讲述的内容所做的整理归纳。


疫情期间的工作

在疫情爆发的早期,刘天罡教授实验室就开发了纳米孔测序方法(Nanopore Sequencing)来帮助检测新型冠状病毒的存在,除了能同时检测其他十大类的呼吸道病毒,Nanopore Targeted Sequencing方法比培养金标准具有更高的阳性检出率,从接受样本开始,24小时内可同时鉴定细菌和真菌感染。

一月底时存在着临床上不能判断的或核酸试剂盒是假阴性的病例,刘天罡教授实验室在武汉大学附属人民医院辅助医务人员进行了对300多例病例的检测。这种检测方法的成功获得了《人民日报》、《科技日报》、《焦点访谈》,以及国务院联防联动的新发布会进行的四十分多钟专题介绍


合成生物学与天然产物


此次讲座刘天罡教授的报告主题是天然产物相关的研究,首先向大家介绍一下什么是合成生物学以及合成生物学与天然产物的联系。

2003年国际上把合成生物学定义为基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究,用计算机的语言,电子工程的思维,以DNA为元件,把这些基因做成回路,使得它们连接成网络来让细胞来完成人员设想的各种任务。

利用合成生物学使天然产物在微生物中表达生产,一个典型的例子便是美国科学家在酵母中对不同物种的基因再进行重构使其产生青蒿素的前体青蒿酸,且目前产量可以达到25g/L。这就极大的减少了合成药物的成本,解决了以往只能从植物中提取青蒿素时所存在的价格不稳定的问题。

  接下来刘天罡教授解答了合成生物学应用于天然产物的生产时所面临的三个关键问题:如何创造新路径;如何提高异源合成的效率;如何更快更多的获得新产物。

 

如何创造新路径


刘教授以萜类化合物合成途径为例解答了这个问题,萜类化合物是指以异戊二烯单元(C5单元)为基本结构单元的化合物及其衍生物,在合成过程中通过缩合修饰得到一个中间体,再经过不同的酶作用产生目的产物,如青蒿素,紫杉醇和番茄红素。

 

如何提高异源合成的效率


 以酵母内表达为例,如果将不同来源的酶直接导入表达,彼此之间不能很好的识别,故而表达异源基因时实际生产效率较低。为解决这个问题利用人工蛋白骨架的方式,对酶进行精准的组装成为了合成生物学研究的热门话题。

  受人的哺乳动物cAMP信号通路内识别的启发,利用一种名为RIAD-RIDD的系统通过人为操作将一个蛋白插到另外两个蛋白中间,形成一个1:2的组装。香港中文大学的夏江教授也通过体外实验证实了通过这种方式组装的体系比各自分离的酶获得的反应效率更好。利用这种策略可以在体内装配代谢节点引导目标代谢流或者对上下游的代谢模块进行组装,对于后者以虾青素合成平台为例,在这个代谢途径中将上游的代谢途径最后一个酶跟下游的代谢途径第一个酶连在一起(Idi酶位于细胞室里,CrtE酶在细胞膜上)。原对照组中在细胞质里面大量表达的Idi在组装后可以通过电镜观察到如预期一般集中到了细胞膜上。


利用这种改造策略能够确切提高原高产虾青素的大肠杆菌中的生产效率,总类胡萝卜素的产量得到了5.7倍的提高。


如何更快更多的获得新产物

自青霉素诞生以来,许多天然产物开始被人们发现,但是随着近些年对中间体进行的大量修饰研究,发现新的产物的速率逐年在降低,如何更快更多的获得新产物成了一个新问题。为了解决这个问题刘天罡教授搭建了一个萜类挖掘的工程平台,构建了四种底盘菌株:大肠杆菌,酿酒酵母,红霉素以及米曲霉底盘菌株。

这是一个基于基因组和自动化平台的一个高通量挖掘方法,对基因进行测序后再通过数据库等方法预测找到基因簇,通过基因合成或者引物的方式克隆这些与目的产物合成相关的基因,根据需求加上相应的启动子,对基因片段进行组装,再转移到相应系统中进行放大,随后利用24孔板进行固体发酵,对发酵出来的产物进行结构分析和生物活性分析。之后进行萃取,萃取产物加入不同的检测平台,使用抗病毒和抗细菌筛选模型进行筛选,利用此方式找到感兴趣的化合物。


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