《世界人口展望：2019 年修订版》的数据显示，到 2050 年，全世界每 6 人中，就有 1 人年龄在 65 岁（16%）以上。随着人口结构老龄化，一些年龄相关疾病也进入高发期，其中阿尔茨海默症和帕金森症等病症对患者尤为残忍，虽不会直接致死，却让人无法有尊严地老去。相关药物研发越来越受到重视。
麦角生物碱以其具有药理优势的分子结构而闻名，可用于治疗神经系统疾病，如帕金森症和痴呆症，是麦角酸（DLA）的衍生物。目前工业上通过化学和生物途径合成麦角酸，但两种生产方式均存在局限。化学合成方法涉及长时间的多步反应，条件苛刻，并且不具有对映选择性，即无法按需生产；利用麦角真菌的生物方法产生的产品种类繁多，使产品回收复杂化，并且容易受到菌株降解的影响。
今年 2 月， 来自新加坡国立大学 (NUS medicine) 和伦敦帝国理工学院 (Imperial College London) 的一组研究人员，在面包酵母中重建了 DLA 生物合成途径。相关论文题为 “Reconstituting the complete biosynthesis of D-lysergic acid in yeast” 发表在 Nature Communications 期刊上。
借此机会，生辉 SynBio 邀请到新加坡国立大学的姚文山副教授，与我们分享他的最新研究成果。
图丨姚文山（来源：受访者）
姚文山曾在伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校 John A. Gerlt 教授的指导下，接受酶机理学方面的系统培训。目前就职于新加坡国立大学杨潞龄医学院生物化学系，并于 4 月 1 日起担任系主任。同时，他还是新加坡生物化学和分子生物学学会的现任主席，新加坡国立大学合成生物学临床及技术创新中心（SynCTI）和新加坡国立大学医学合成生物学转化研究计划的副总监，也是新加坡国家科学院的理事会成员。
他目前和未来的研究集中在 “合成酶学” 的领域，即不断地扩展酶学、生物化学和合成生物学之间的交集和互补。研究侧重于将酶的结构和机理方面的最新知识用于蛋白质工程（以此不断发掘、界定和调控酶的底物特异性）、生物催化、生物转化、新型治疗方案的开发（针对代谢疾病、传染病、癌症和衰老）和生物环境修复（以实现城市的可持续发展）。对于解决工业界的需求和开发绿色解决方案有重要意义。
在面包酵母中重建麦角酸生物合成途径
为了满足全球对 DLA 的需求，每年需要生产 8 吨麦角肽和多达 10-15 吨 的 DLA。其中大约 60% 是通过专门开发的 C. purpurea 菌株进行深层发酵生产的，其余的则是通过寄生于田间的禾本科植物获得。现有的生产方法存在以下限制：第一，生产的麦角酸种类繁多，使下游提取流程复杂化，并提高了生产成本；第二，这些品系在栽培和保存过程中有退化的趋势。
针对这些问题，姚文山团队选择在非常适合液体发酵的面包酵母菌株中，重建麦角酸的合成途径。一方面，使用成熟的宿主有机体能够改善菌株退化的问题；另一方面，用选择性酶重构麦角途径，能够定向生产目标产物。
“在整个人类历史中，天然发酵一直用于食品生产，尤其是在面包和啤酒的生产中。就像面包酵母如何被用来生产啤酒中的酒精和风味物质一样，现在使用改良酵母进行发酵可以生产麦角酸。从本质上讲，我们正在利用真菌细胞充当微型工厂来生产药物原料。”
“使用众所周知的面包酵母及合成生物学技术（合成生物学使得生物改良变得更快、更便宜、更高效），我们的研究团队将麦角真菌中的酶引入到面包酵母当中。通过发酵，使用糖基底物培养改良后的酵母，以生产麦角酸。” 姚文山告诉生辉 SynBio。
图丨麦角酸的完整生物合成途径（来源：论文）
据他介绍，团队首先进行了麦角酸生物合成途径的解析。所有麦角酸均源自 L - 色氨酸，且直到麦角灵 C 环的早期生物合成步骤均完全一致，也就是说，在中期和后期的生物合成步骤中，通过不同亚型的酶的修饰作用，获得了不同的产物谱。
但是，将 “从 L - 色氨酸完全生物合成 DLA” 需要的各种酶在面包酵母中进行异体表达存在困难。于是姚文山团队使用酶功能倡议联盟 - 酶相似度工具 (EFI-EST)，寻找这些酶的同源基因来重建通路。
在此过程中，还需要进行酶的功能性表达筛选，以获得在异源酵母系统中具有最佳活性的酶。于是团队创建了一个改良的酵母菌株 (YMC17) 作为筛选平台，从多个酶的直系同源物中，经验证获得最优选项，以此完成酵母中的麦角酸合成途径的构建。
图丨棒状氧化酶 CloA 直系同源物的筛选（来源：论文）
“在这项研究中，DLA 在 1 L 生物反应器中达到 1.7 mg・L-1的滴度。根据现有参数推算，若使用 100 吨级的生物反应器进行生产，每年将能够生产 5.2 吨 DLA。”
“实际上，在这项研究之前，已经有其他的研究团队致力于改良酵母以制造麦角酸，但并未成功。我们团队成功的秘诀在于正确识别并成功重建了在麦角酸合成途径中关键的棒状氧化酶（CloA）反应步骤。” 姚文山说道。
进一步优化可实现商业水平滴度
目前通过培育麦角菌来提取麦角酸的方法不具有可持续性。培育麦角菌需要使其生长在原本用于粮食生产的田间谷类作物上。受麦角菌侵害的谷类作物包括水稻、玉米、小麦、燕麦、大麦、黑麦和高粱等。在饲料作物中，麦角菌也被认为是一种真菌病害。因此，如果不加小心，麦角菌的培育很可能会影响当前的食品工业。
以美国的牛肉业为例，由于麦角菌污染导致的饲料产量下降，每年估计会造成超过 6 亿美元的损失。麦角菌的培育也在很大程度上依赖于有利的天气条件。此外，机械化农业是全球碳排放的最大贡献者之一。
而采用这种新的生产方法，将不再依赖传统的、具有大量碳足迹，且易受气候变化影响的机械化农业，因此它更符合可持续发展战略，也更有利于维护地球的健康。
更为重要的一点是，“从酵母中产生的麦角酸与从麦角菌中提取的麦角酸在分子结构和化学属性上完全相同。因此，由酵母麦角酸制成的药物将不需要进行临床试验，因为这些药物与市场上的现有药物相同。” 姚文山告诉生辉 SynBio。
目前，其他一些药品或药物成分已经在使用酵母生产，其中最著名的是抗疟疾药物青蒿素，由加州大学伯克利分校的 Jay Keasling 教授所带领的小组研发，并已经授权给赛诺菲进行产业转化。
2008 年，赛诺菲 - 安万特获得了该技术的许可，并与 Amyris 合作开发生产工艺。赛诺菲 - 安万特利用 Keasling 的微生物生产工艺生产了 35 吨青蒿素，足以进行 7000 万次治疗。含有微生物来源青蒿素的青蒿素复合治疗药物于 2014 年 8 月开始分销，已向非洲运送了 170 万剂。预计这项技术每年将生产 1-1.5 亿剂，以供应非洲、亚洲和南美洲。
“我们的团队目前正在优化麦角酸的产量，希望尽早从实验室规模扩大到生产规模。通过使生产与农业增长脱钩，使用酵母和合成生物学手段生产药物将会抑制药物的价格波动，青蒿素就是一个很好的例子。随着商业规模的扩大，药物成本可能会降低，药物更加实惠。通过这项工作，我们已经能够利用真菌充当微型工厂，来生产用于药物合成的原料化合物。既能提供更好的药物来对抗衰老，同时又能减少工业化药物生产对环境的影响。” 姚文山说道。
最后，他补充道，“我的实验室专注于使用合成酶学原理来维护地球健康，目前侧重的是医疗制剂的生物合成，以及维持城市的可持续发展。在生物合成方面，我们积极关注大麻素和生物碱等化合物。这些天然化合物已被证明具有巨大的医疗价值。然而，它们复杂的化学结构通常导致化学全合成的成本太高，或完全无法实现。”
“从植物提取物中获取这些化合物同样面临着巨大的挑战，主要原因是提取混合物中目标化合物的丰度低，并且含有某些有害杂质，因而给下游富集提纯造成难度极大。我们将继续在适合大规模生物生产的模型真核生物中重建此类化合物的生物合成途径。在城市可持续发展方面，我们积极关注绿色生物制造、电子垃圾生物处理回收，以及废弃塑料的生物循环升级。”
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28386-6
https://www.un.org/zh/global-issues/ageing
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