植物在治疗人类疾病的历史中，扮演着不可或缺的角色，药用植物资源的开发和利用一直是生命科学的研究重点。著名科学家屠呦呦就因发现抗疟新药青蒿素，挽救了数百万疟疾患者的生命。
在癌症治疗领域，有一种植物也有重要作用，它就是长春花，这种植物可分离出长春碱，被广泛应用于抗癌药物中。通常提取1克长春碱需要2000公斤以上长春花的干叶子，但由于长春碱高度复杂的结构，很难通过化学合成。所以，如何高效获取长春碱一直是医药界关注的焦点问题。
近日，我院连佳长研究员带领团队首次报道了利用毕赤酵母细胞工厂来高效合成长春质碱，长春质碱和文多灵可偶联合成临床应用最为有效的抗癌药物——长春碱。目前，相关成果以“Biosynthesis of Catharanthine in Engineered Pichia pastoris”（doi: 10.1038/s44160-022-00205-2）发表在Nature Synthesis。
图1 毕赤酵母细胞工厂
——— 首次在毕赤酵母实现了长春质碱的从头合成
首先来说下什么是从头合成？打个比方，从头合成途径就相当于你的装修工自己买来水泥、石灰、瓷砖，从头来装修房屋。连佳长课题组选用了毕赤酵母作为底盘细胞，这就是他们的“毛坯房”，各种各样的模块被引入这个“毛坯房”，进行了合成，最终得到了他们想要的物质：长春质碱，合成高效抗癌药物长春碱的主要原料。
他们的研究以毕赤酵母为底盘细胞重构长春质碱合成途径，实现了从简单碳源到高附加值天然产物的从头合成（图2）。通过构建CRISPR体系、选择稳定的整合位点、筛选活性和/或特异性更高的途径酶、增加限速酶的基因拷贝数、重构细胞代谢以及优化发酵工艺，创建了能够高效合成长春质碱的毕赤酵母细胞工厂。
图2 在毕赤酵母中分模块构建及优化长春质碱从头合成途径
成果的第一作者高炬灿博士介绍，毕赤酵母属于非模式酵母，想要让它成为底盘细胞合成新物质，其实并不容易。如果继续以装修房子打比喻，模式酵母就好比标准毛坯，进行“装修”非常方便，但是非模式酵母就像是“奇葩”户型，正式“装修”前还得进行改造，不然很难添加任何物质进去进行合成。
既然这么难，为什么要选择这种方式？高炬灿博士说：“合成产物一般都需要蛋白来催化，而毕赤酵母能强有力的合成和分泌外源蛋白。一旦毕赤酵母改造好了，其应用面会非常广，所以我们选择它作为底盘细胞进行改造。这次长春质碱的从头合成就是一个成功案例。”
据介绍，优化后的毕赤酵母作为底盘细胞的工程菌株能够合成2.57 mg/L长春质碱，这是首次在非模式酵母中合成如此复杂的天然产物，这不仅为高效合成长春质碱提供了新思路，同时也表明毕赤酵母细胞工厂可用于高效合成生物碱等植物天然产物，应用于生物医药、精细化工等多个领域。
——— 依托大仪共享平台创造更多价值
大型科研仪器是科技创新的技术基础和重要手段，推动大型科研仪器的共享开放能够有效提高科技资源利用效率，本次成果的产出和科创中心大型仪器共享平台的推出息息相关。
比如合成生物学自动化装置（iBioFoundry），本次成果就使用到了流式细胞仪，如果用传统人工的方式可能需要2-3天才能得到测试结果，但是使用了智能化设备一个晚上就可以完成，效率得到了大大提升。
虽然有了一流设备来助力，但是由于研究要涉及到发酵实验，这个过程依旧需要科研人员实时跟进。“每次发酵实验都需要3-5天，基本都是通宵达旦，容不得一丝马虎。”高炬灿博士说，这些菌株就是他们的宝贝，守护着他们就像守护着梦想，虽然辛苦但感觉很值得。
眼下除了做研究，连佳长团队也在不断探索产业化之路，他们希望用更加绿色、环保、高效的方式，合成出更多天然产物，探索出更加高效的技术途径，助力生物医药、化工等领域产业发展。
