合成生物學在醫(yī)藥中的應用

母彩霞　俞文彬

摘 要：合成生物學是在項目學理論的帶領下，對天然生物體系從頭開展策劃以及整改。并且策劃同時制造新的生物部件、模式以及體系的全新科目。合成生物學是自然科目前進到一定程度形成的新學科，同時在醫(yī)藥方面已獲取了明顯的成就。文章綜合講述了在項目細胞使用合成生物科目方式研究出了能夠抵抗瘧病的治理藥物的前身青蒿二烯，抵抗癌癥的藥物前身紫杉二烯，還有脂肪醇、酸以及高級醇的生成方式等探索進步。除此之外，有的關鍵的合成生物學有關措施，在很大程度上加快了項目細胞的重新組合以及演化，為建筑運用于制造范疇的新效用細胞供應便利適用的東西。

關鍵詞：合成生物學；基因模塊；醫(yī)藥

引言

最近幾年，合成生物學發(fā)展的速度有了很大程度的提升，慢慢的造就了特征明顯的探索實質(zhì)以及運用范疇。其探索實施關鍵包含：（1）新生物原件、構件以及體系的策劃和建筑。（2）對現(xiàn)在擁有的、自然的生物體系開展從新策劃。二零零九年美國醫(yī)學部門的帶領下組建了一支由十二支社會各界學士構成的IDR小組，研究合成生物科目的前進朝向以及多科目交叉狀況。認為合成生物科目是集電腦、物理、工程以及生物等科目一起進行研究交叉的科目，能夠經(jīng)過重組生物運用在環(huán)境、藥物、民眾健康、資源等部分。

合成生物科目是項目學以及生物科目一起前進到一定程度形成的。人類基因體和很多形式的生物基因體測定未知序列的完成，還有很多的后基因體作業(yè)，促進累計的生物學資料出現(xiàn)了天文級。但是，現(xiàn)在擁有的資料挖掘當時依舊限制于對生命特征的深層探索，很難對生命的內(nèi)在工作樣式開展探索分析。合成生物科目就在這種環(huán)境下形成，經(jīng)過從下到上的建筑生命行為，按照其獨具的角度解釋生命，為理性策劃以及革新生命供應了基礎。最近幾年，基因體測定未知序列以及合成單位已經(jīng)在全球范疇內(nèi)普遍建立，供應品質(zhì)優(yōu)、價格低的服務。優(yōu)異的基因體測定未知序列以及合成措施推動合成生物科目策劃新生命組合以及建筑功效細胞更簡單。

最關鍵的是，人類身體健康情況、資源、條件等范疇的巨大需要也推動著合成生物科目的快速前進。把基因部件按照項目的需求，有機從新組建整合在一起，就出現(xiàn)了效用基因模式。在加上對現(xiàn)在已經(jīng)擁有的生物網(wǎng)絡的使用，并且引進新的效用基因模式，表明天然細胞不可以合成的物品，在合成部分已經(jīng)有了很大程度的前進。現(xiàn)在我們解析一下在藥物范疇內(nèi)使用的合成生物科目

1 青蒿二烯的生物合成

杰伊·科斯林在項目細胞中制造出抵抗瘧疾的前身青蒿二烯的探索作業(yè)實在經(jīng)典。在產(chǎn)生青蒿二烯合成方式的重要新基因資料后，科斯林團隊在二零零三年在大腸桿菌中勝利的研究出了制造青蒿二烯的另一種方式。這種合成方式劃分為兩種形式。第一種形式是在Acetyl-CoA為出發(fā)點，通過甲瓦龍酸來制造IPP。這就擺脫了大腸桿菌本來的G3P以及乙酰甲酸為前身制造的異戊二烯焦磷酸的DXP方式，能夠使細胞代謝經(jīng)過新方式形成異戊二烯焦磷酸分子，為下游制造方式供應足夠多的底物分子。第二個形式就是從C5的異戊二烯焦磷酸為出發(fā)點，通過異戊二烯鏈拉長方式形成C15的FPP，最后在ADS酶的功用下制造青蒿二烯，最高形成量能夠達到一百二十二毫克每升。上下游模式都是來源于真核生物中的代謝方式，把其密碼改善同時從新構筑在原核生物大腸桿菌內(nèi)，同時勝利制造想要得到的物品，開拓了制造生物的新方式。

2006年，Keasling小組又以酵母菌為宿主，通過對內(nèi)源的乙酰輔酶A到FPP途徑的關鍵基因進行上調(diào)或下調(diào)，同時引入基因優(yōu)化過的外源模塊，成功實現(xiàn)了產(chǎn)物青蒿二烯產(chǎn)量的穩(wěn)步提高。對內(nèi)源基因上調(diào)的方式有兩種，其一是增加基因拷貝數(shù)，如tHMGR酶的基因，其二是通過轉(zhuǎn)錄因子來上調(diào)基因表達量，如ERG系列的基因。對內(nèi)源基因的下調(diào)則是采用基因敲除的方法。通過對合成路徑涉及基因的一系列微調(diào)，使產(chǎn)量達到153mg·L-1，是以往報道的二烯類分子產(chǎn)量的500倍。

在此基礎上，研究小組又設計了人工蛋白支架（synthetic protein scaffolds），對大腸桿菌內(nèi)已構建的上游模塊：從乙酰輔酶A到甲羥戊酸的合成途徑進行了優(yōu)化。三個反應酶AtoB，HMGS，tHMGR通過蛋白支架以不同分子數(shù)比例捆綁在一起發(fā)揮作用，解決了中間代謝物積累造成的合成效率降低以及對宿主的毒副作用問題。具體機理是將高等動物細胞中的配體受體作用關系引入到大腸桿菌中，將配體分子的基因序列與模塊中的反應酶基因融合表達，從而將受體分子以不同分子數(shù)連成一串，構成柔性支架。由于腳手架內(nèi)各個受體分子間由一定長度的多肽連接，就避免了因多個配體受體結合造成的空間位阻問題。在反復實驗與調(diào)試后，研究小組發(fā)現(xiàn)三個酶分子以1：2：2的比例連在一起作用效果最強，產(chǎn)量達初始值的77倍，約5mmol·I-1（740mg·L-1）。

隨著后期工業(yè)化發(fā)酵，研究小組又發(fā)現(xiàn)來自酵母的外源基因HMGS和tHMGR表達的酶不足以平衡外源代謝流，成為瓶頸反應。他們以金黃葡萄菌中的相關酶基因進行替換后，青蒿二烯產(chǎn)量立刻增加一倍。通過與工業(yè)發(fā)酵過程優(yōu)化的結合，作為工業(yè)產(chǎn)品的青蒿二烯最終產(chǎn)量高達27.4g·L-1。合成生物學成功用于重要藥物的合成，引起了廣泛關注。

2 紫杉二烯的生物合成

Gregory Stephanopoulos的科研組織在二零一零年時在大腸桿菌中勝利完成了抵抗癌癥藥物的前身紫杉二烯物質(zhì)的合成。這是在這個科研小組在萜類生物代謝方法和大腸桿菌細胞細微調(diào)節(jié)的長時間探索中獲取的成效。科學組織把內(nèi)在的過氧化二碳酸二異丙酯合成方式定位上游模式，把之后合成紫杉二烯的方式定位成下游模式，其作業(yè)也關鍵聚合在怎樣對上下游模式開展微調(diào)。因為假如只顧上游，肯定會導致中間代謝物的消耗，并且形成中間障礙；但是如果下游經(jīng)過量太多就會浪費很多的酶分子，增加了細胞表述負荷。

研究小組采用改變質(zhì)粒拷貝數(shù)和啟動子強度的方法對上下游通量的比例進行了微調(diào)。通過對已有文獻的整合以及自己的測試工作，研究小組確定了三種質(zhì)粒pSCl01，p15A，pBR322的拷貝數(shù)分別urNorphadicnc為5，10，20，而整合入基因組中的基因拷貝數(shù)相當于1。三種啟動子Trc，T5，T7的相對強度分別為1，2，5。通過這幾種質(zhì)粒和啟動子的組合，使上下游模塊的通量比例發(fā)生變化，再檢鍘含有不同通量比例的細胞內(nèi)的產(chǎn)物產(chǎn)量。在此過程中，模塊內(nèi)部基因是單順反子還是多順反子表達形式也影響產(chǎn)量變化，即多個基因是在一個啟動子后表達還是在各自的啟動子后表達。經(jīng)過一系列微調(diào)與組合后，具有最優(yōu)性狀的菌株目標產(chǎn)物的產(chǎn)量高達（1020±80）mg·L-1，實現(xiàn)了對碳代謝流的高效利用和協(xié)調(diào)。同時，通過蛋白質(zhì)工程的手段對細胞色素P450氧化還原酶進行改造，在工程菌中首次成功異源表達。

3 展望

合成生物科目根據(jù)項目學原理為指引，對現(xiàn)在擁有的、天然具備的生物體系從頭策劃以及整改，并且全力對策劃合成出新的生物部件、模式以及體系努力。特別在使用部分，合成生物科目建筑的人工生物體系能夠在制成關鍵生物品種、呵護人類身體等部分有主要的前進空間。現(xiàn)在合成生物科目的探索成就主要使用在醫(yī)學方面，將來在別的行業(yè)范疇內(nèi)也肯定會有引人注目的成就出現(xiàn)。總而言之，合成生物科目擁有普遍的運用前提以及強有力的措施撐持。