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最近的三四十年間，大部分的藥物實際上來源于化學(xué)合成。化學(xué)工業(yè)的興起，我們可以追溯到十九世紀中葉。當(dāng)時，美國的喬治·比塞爾和埃德溫·德雷克在賓西法尼亞州第一次用鉆井來開采石油。之后的短短的一百多年間，石油成為全世界主要能源來源之一，石油開采已遍及全世界。與此同時，由石油產(chǎn)業(yè)所衍生的石油化工和材料產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)占全球GDP的15%。也就是說整個基于礦石（石油及煤炭）能源的化工產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的支柱產(chǎn)業(yè)。

接下來，我想通過以下幾個例子來比較一下人工化合物和天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)上的差異。

經(jīng)過比較，就會發(fā)現(xiàn)，其實自然界的化學(xué)和代謝過程有很多精妙之處還遠遠沒有被認知清楚，充分了解這些過程可以最終將這些自然界原理用生物工程手段運用到化工生產(chǎn)實踐中。

第一個例子，左圖中這個分子式是聚醋酸乙烯酯。我們用的普通膠水就是這種高聚物，非常好用。它的結(jié)構(gòu)也相對比較簡單，所以可以用化學(xué)合成的方式大量產(chǎn)生。

右圖是今年年初我們實驗室剛剛解析的一種叫花粉壁素的天然化合物的結(jié)構(gòu)。花粉壁素是所有花粉顆粒最外層的一種保護細胞壁的多聚物，具有很強的化學(xué)惰性。幾乎沒有任何化學(xué)溶劑可以溶解它，也沒有化學(xué)試劑可以降解它，所以過去幾十年來的科學(xué)家一直沒有辦法攻克它的結(jié)構(gòu)。

我們實驗室在過去五年中開發(fā)了一系列新的研究手段，最近終于攻克了花粉壁素結(jié)構(gòu)之謎。我們發(fā)現(xiàn)花粉壁素主要是由兩種單體聚合出來的一種非常奇妙的多聚物。其中一種單體，和聚醋酸乙烯酯很類似，另一種單體是碳十六烷烴的衍生物。這兩種單體相互耦合形成花粉壁這種獨特的多聚物。由于耦合的化學(xué)鍵包括醚鍵和酯鍵，導(dǎo)致了這種聚合物非常地穩(wěn)定。此外，花粉壁素的硬度非常之高，堪比鉆石。

通過這個例子，我們看到自然界能夠通過代謝進化形成具有獨特性能的化合物，遠超人類想象。通過研究，我們認知了陸生植物保護薄弱配子的機制，這對我們今后合成工業(yè)用惰性材料會有非常大的啟發(fā)。

接下來想說一下藥物分子。二十世紀前半葉，美國FDA批準的大部分藥物來自于天然產(chǎn)物，很多這樣的天然產(chǎn)物藥物至今還在生產(chǎn)和銷售。但隨著合成化學(xué)的發(fā)展，之后的藥物主要以人工合成的小分子為主。通過主成分（PCA）分析，比較天然產(chǎn)物的藥物分子和化學(xué)合成的藥物分子，就會發(fā)現(xiàn)， 雖然天然產(chǎn)物的藥物數(shù)目比較少，但是它們的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，藥物和藥物之間的結(jié)構(gòu)差異也更大。

圖中的紫杉醇結(jié)構(gòu)，看上去就比較復(fù)雜，它有很多的手性中心。如果在三維空間來看這個分子，它實際上是有非常復(fù)雜的三維構(gòu)象。 

右邊所展示的是格力衛(wèi)，這是一個抗癌神藥。它是一個非常平面的分子，沒有手性中心，比較容易合成。在化學(xué)合成中很難解決的手性問題，自然界的生物合成可以完美地解決。所以說無論從化學(xué)家角度，還是生物學(xué)家的角度，認知自然界如何能夠合成這樣復(fù)雜的分子都是非常有意義的。

人們早期對植物次生代謝的研究，初期主要集中在發(fā)現(xiàn)植物里面有什么樣的小分子，后來發(fā)展到研究植物中各種小分子的生化合成途徑。當(dāng)越來越多的植物小分子生化合成途徑被逐步認知后，我們便可以真正去了解植物的代謝途徑的進化過程。

比起動物來說，植物的代謝系統(tǒng)要復(fù)雜得多，可產(chǎn)生種類繁多功能特異的小分子。植物是怎么獲得這個能力的呢？

在漫長的進化過程中，基因擴增、基因突變是無時無刻都存在的。基因擴增讓原來有重要作用的編碼酶的基因有了額外的拷貝。當(dāng)一個拷貝可以繼續(xù)維持原來的功能，另一個拷貝通過基因突變導(dǎo)致了其編碼酶的催化活性或者是辨識底物能力發(fā)生變化。這個時候，這個衍生出的酶就可以催化不同的底物，產(chǎn)生新的分子。當(dāng)多個編碼酶的基因同時或者先后經(jīng)歷這樣的分子進化過程，新的代謝途徑就會逐漸產(chǎn)生。加上植物種群中蟲害、病害、干旱、高溫或極寒等等選擇壓力，對宿主有用的代謝途徑就會被選擇并保留下來。

舉個例子，圖中左上側(cè)的KAS III 酶，是在所有生命體中都具有的參與脂肪酸合成的酶。通過基因擴增及基因突變，就演化成了陸生植物所特有的CHS酶，可以合成柚皮素查爾酮（Naringenin chalcone）。柚皮查爾酮是所有黃酮類分子的前體。比如說眾所周知的花青素就是一種黃酮，是植物防御紫外線的主要色素。

說到酶反應(yīng)，我們總是說酶催化有高度的特異性。其實在微觀的狀態(tài)下，它是具有一定的“不特異性”。當(dāng)一些不特異的活性，在基因突變過程中放大，并能夠催化不同的底物產(chǎn)生新產(chǎn)物時，如果對宿主有幫助的話，新性狀就會被宿主保留、放大、優(yōu)化并遺傳給下一代。當(dāng)多個酶同時或先后發(fā)生各種突變導(dǎo)致催化能力的變化，新的生化合成通路就形成了。實際上，我們就是通過了解單個酶還有它所屬的酶系家族的進化進而解析酶的催化的網(wǎng)絡(luò)是怎么形成的。

我們實驗室最近在研究來自于波利尼西亞群島的一個藥用植物，叫做卡瓦胡椒。其根部的主要藥用成分叫做卡瓦內(nèi)酯 （kavalactone），具有安神和催眠的作用。當(dāng)?shù)赝林嗽谏缃换顒又写罅匡嬘每ㄍ吆犯匡嬈罚蔀樗麄兾幕蟹浅Ｖ匾囊粋€部分。卡瓦內(nèi)酯具有成為新型安神和催眠藥物的潛力，但這些化合物之前只能從卡瓦胡椒根部提取分離，來源非常有限。

我們發(fā)現(xiàn)在卡瓦胡椒的進化過程中，產(chǎn)生了一系列新的特異次生代謝酶，最終形成了一個全新的代謝網(wǎng)絡(luò)來合成各種各樣的卡瓦內(nèi)酯的衍生物。這個過程與化學(xué)家合成藥物分子的過程類似，即基于同一個分子骨架合成一系列衍生物。

植物在它的進化過程中，經(jīng)常會產(chǎn)生一系列結(jié)構(gòu)類似的天然產(chǎn)物，其中有的可能對防御一些天敵有用，另一些可能會對防御另外一些天敵有用。這些植物中自然進化產(chǎn)生的衍生物對藥物的開發(fā)和藥物的作用機理研究非常有價值。

另外，通過對不同植物不同特定天然產(chǎn)物的合成過程的了解，我們就可以總結(jié)出一些特定反應(yīng)過程（比如說聚酮合成反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)）的共性，從而讓我們能夠更好的在別的植物中預(yù)測未知的天然產(chǎn)物的合成途徑。

過去的幾十年之內(nèi)，天然藥物分子的開發(fā)主要是按照分離純化藥用植物中的有效成分的思路進行的。但是在近些年來，當(dāng)我們充分認知了藥用植物生化合成有效分子的分子機理以后，就可以用合成生物學(xué)這樣一種全新的手段去開發(fā)藥物。

也就是說，我們將找到的藥用植物中用于生化合成生物活性小分子的基因在微生物中進行重組，然后通過微生物工程菌株發(fā)酵重現(xiàn)目標(biāo)天然產(chǎn)物。我們也可以在微生物工程菌株中增減一些編碼特異性酶的基因來形成新的衍生物，成為待篩選藥物分子。

大部分藥用植物都是非模式植物，缺乏分子遺傳研究手段。那我們?nèi)绾窝芯克幱弥参镏形粗纳铣赏緩侥兀?/strong>

首先，我們測定目標(biāo)植物各組織的轉(zhuǎn)錄組和代謝組，然后將植物所表達的基因去跟它們所在的組織中的目標(biāo)化合物進行關(guān)聯(lián)性分析，找到可能合成目標(biāo)化合物的靶向基因。我們同時會形成一些目標(biāo)化合物合成途徑的假說，并在這些假說框架下尋找所需的特異性酶。

用大麻作為一個例子。我們已經(jīng)知道大麻素在大麻葉片的纖毛中含量很高。同時，我們也發(fā)現(xiàn)大麻素合成的相關(guān)基因在纖毛細胞中確實是大量富集表達。我們通過對纖毛細胞的轉(zhuǎn)錄組進行分析，就可以有效地找到合成大麻素的基因。

找到了基因后，怎么確認找到的基因是大麻素合成基因呢？

因為大麻并不是一個模式生物 ，非模式生物意味著將異源基因克隆到這個生物中或敲除基因都比較困難，進行分子生物學(xué)的研究不是那么簡單。我們做的實際上就用一種合成生物學(xué)的手段在另外一種模式生物中去重建這個這個反應(yīng)系統(tǒng)來驗證。

物理學(xué)家理查德·費曼曾經(jīng)說過，“如果我不能重建一個系統(tǒng)，說明我還沒有理解這個系統(tǒng)。”當(dāng)我們有一些目標(biāo)基因以后，會把這些基因在酵母、大腸桿菌或者是煙草的系統(tǒng)里面表達，重建同樣的生化反應(yīng)途徑。當(dāng)你能夠重建系統(tǒng)并得到相應(yīng)的產(chǎn)物時候，你其實就已經(jīng)揭示了這個之前未知的生化合成通路。

盡管一開始目標(biāo)化合物產(chǎn)量可能是非常低的，我們可以通過對微生物的底盤進行進一步的基因工程改造、對發(fā)酵條件的改良，來最終提高目標(biāo)化合物產(chǎn)量。另外，我們也可以把這些基因重組到別的植物里面，比如說煙草，用農(nóng)業(yè)的方式大量生產(chǎn)目標(biāo)化合物。在過去的幾年內(nèi)，我們整個領(lǐng)域有非常大的發(fā)展，有很多原來很難獲得的植物天然產(chǎn)物都已經(jīng)可以用合成生物學(xué)方式合成了。

現(xiàn)在我這張幻燈片主要是我們實驗室研究的一些成果，比如說我剛才提到的卡瓦胡椒，還有大家熟知的紅景天，都是非常珍稀的植物，很難大規(guī)模的種植，但是我們現(xiàn)在已經(jīng)可以用微生物工程菌株去合成其中的有效成分了。

現(xiàn)在，我們可以運用定向進化的手段，來進一步激發(fā)合成生物學(xué)的潛能。

去年的諾貝爾化學(xué)獎獲得者，加州理工大學(xué)的弗朗西絲·阿諾德（Frances  Arnold）教授的做法是人為地讓酶進行隨機基因突變，然后對每一代的突變后的酶進行特異性狀的篩選，若干代后通過定向進化的酶可以獲得新的目標(biāo)酶活性。這樣的活性可以是自然界不存在的，是完全通過人工過程進化而來。但酶的定向進化現(xiàn)在在技術(shù)操作上還是比較困難的，因為每次突變后的單個突變體都需要做生化的分析，這個系統(tǒng)中需要生化分析的突變體多達成千上萬，是一個非常低通量的過程。

受到這個思路的啟發(fā)，哈佛大學(xué)的大衛(wèi)·劉（David Liu）教授創(chuàng)建了一種具有自進化功能的系統(tǒng)進行定向進化。他用大腸桿菌以及和它互作的噬菌體，在持續(xù)培養(yǎng)的容器中進行自身演化。當(dāng)噬菌體帶著這段基因片段演化出我們所想要的功能時，這些噬菌體也可以比其他的未演化的噬菌體更快地進行復(fù)制。那么僅僅通過幾天到幾周的時間中，這個大腸桿菌噬菌體互作系統(tǒng)就可以自己進化出編碼我們想要生物學(xué)功能蛋白的基因。

現(xiàn)在把這個概念引入到植物次生代謝所涉及的酶的進化中。我們知道，對于植物中的天然化合物，無論多么復(fù)雜，在自然進化中，只要有基因突變，只要有選擇壓力，這樣的分子總是能被植物合成的。如果我們能把這樣的過程縮減到一個可以在幾天到幾周內(nèi)就可以在實驗室內(nèi)完成的進化過程，那么我們最終可以合成任何我們想合成的小分子。

為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們實驗室計劃構(gòu)建一個含有煙草植物細胞及與它互作的病毒的系統(tǒng)。我們將想進化的目標(biāo)酶的編碼基因轉(zhuǎn)入這個病毒中，當(dāng)這個病毒進化出我們想要的活性以后，可以反過來刺激病毒的分化的速率，這樣一個自我促進的過程就可以實現(xiàn)目標(biāo)酶的自我進化的目的。這個項目還在醞釀中，但我們覺得自進化植物系統(tǒng)是一個非常有前途的發(fā)展方向。

今天涉及到的很多內(nèi)容都是由我在MIT的實驗室的成員共同完成的，而這些項目的資金則來自于多家支持基礎(chǔ)科研的基金會。我非常高興今天有這樣的機會和大家交流，很期待和大家繼續(xù)討論，謝謝。

特別鳴謝 文字校對：

黃文韜，麻省理工學(xué)院生物系博士
翁經(jīng)科，麻省理工學(xué)院生物系副教授

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