賀海燕：探索大自然的饋贈

衛婷婷

近30年來，科研人員對天然產物生物合成的研究取得了諸多重大的突破，為開發活性更高、生產成本更低廉的藥物作出了巨大的貢獻；同時，通過天然產物生物合成研究，還發現了大量生物酶催化劑，可用于高附加值化學品或臨床藥物的高效制備。天然產物作為大自然對人類的饋贈，其生物合成研究一直吸引著中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所研究員賀海燕的探索好奇心。

賀海燕，中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所研究員，博士生導師。2012年博士畢業于中國科學院上海有機化學研究所，2014—2021年在加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC）化學系進行博士后研究，2021年3月至今受聘于中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所，并入選2021年國家高層次人才引進青年項目。主要從事微生物來源天然產物的生物合成相關研究，先后進行了土壤微生物來源的5個結構復雜、活性顯著的化合物生物合成途徑中特殊酶反應及機制的解析，取得了多項原創性的成果，以第一作者在《自然·化學》（Nature Chemistry）等國際著名學術期刊發表論文5篇，《科學引文索引》（SCI）他引400余次，得到國際同行的認可與關注。

賀海燕在實驗室觀察樣本

天然產物是大自然給人類獨一無二的饋贈，它是指動物、植物提取物或昆蟲、海洋生物和微生物體內的組成成分或其代謝產物，由于其復雜的骨架結構和良好的藥用價值，吸引著科學家對其進行結構鑒定及化學合成。

1928年，英國細菌學家亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）從青霉菌中發現了具有抗革蘭氏陽性菌的青霉素，并因此獲得了1945年諾貝爾生理學或醫學獎。青霉素的發現成為天然產物應用于臨床研究的里程碑，人類由此進入了從天然產物中尋找新型藥物的新時代。

而今，現代藥物研究與開發仍離不開天然產物。數據顯示，全球約有2/3的臨床藥物源于天然產物，其中包括60%的抗癌藥和75%的抗感染藥物。近30年來，科研人員對天然產物生物合成的研究取得了諸多重大的突破，為開發活性更高、生產成本更低廉的藥物作出了巨大的貢獻；同時，通過天然產物生物合成研究，還發現了大量生物酶催化劑，可用于高附加值化學品或臨床藥物的高效制備。天然產物作為大自然對人類的饋贈，其生物合成研究一直吸引著中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所研究員賀海燕的探索好奇心。

執念

賀海燕對大學教授和高考狀元有一種莫名的執念。在他參加高考的前一年（2002年），陜西省高考理科狀元是史方舟。史方舟的父母是大學教授，他和賀海燕一樣是陜西神木人。受他影響，“讀理科，成為大學教授，再把小孩培養成高考狀元”是賀海燕最初的人生目標。2003年高考后，18歲的他很快做出了選擇，并順利考入天津大學化學系，朝著當時的人生目標靠近。

站在天津大學的校門前，賀海燕的第一印象是，校門比錄取通知書封面更加漂亮，更有歷史感。隨后在天津大學理學院的開學典禮上，院長的一番話，至今仍讓賀海燕記憶猶新。“院長說，我們從小學到高中讀了12年，12年的時間只是讀書生涯的一半，后面還有大學4年、碩博5年、博士后3年，加起來是下一個12年。”現在的賀海燕回想起這段話，他發現自己經歷的時間比這后面的12年還要長，是整整16年的時間。在漫長的時間里，是科研的樂趣和當大學教授的執念一直支撐他走過來。

賀海燕最早接觸科研是在大二那年的暑假，他自述“運氣很好地”被篩選到化學系教授李春葆的實驗室。在李老師課題組，他接觸到了書本里沒有的科學實踐。“我到了實驗室之后，開始意識到書本上的知識并不是最新的知識。”賀海燕開始去查閱一些剛剛發表出來的文獻，從這些文獻中找到新的實驗方法或者學習一些新的技術。賀海燕的英語基礎不太好，李春葆教授就鼓勵他多讀文獻，多學習一些專業術語，慢慢地，他喜歡上了看文獻，學會了怎么去讀文獻，甚至能從中找到前沿的小課題去做。

大四做畢業設計時，賀海燕去了化學系王建輝教授的課題組，接觸到了有機合成和催化機理的研究，對化學的理解更進了一步。在研究興頭上的他，決定挑戰一次，全國哪個化學研究所最難考，他就考哪里。“中國科學院上海有機化學研究所是化學領域最難考的一個研究所，我就想試一試。”賀海燕總結自己是“運氣好”，初試最后一名的他因為不錯的復試成績，成功逆襲，進入了上海有機化學研究所，成為生命有機化學國家重點實驗室唐功利課題組的一員。

等真正進入唐功利課題組之后，賀海燕才發現課題組的研究方向是主攻微生物，主要是做抗生素藥物開發。“很快我就做出了決定，從化學方向轉到生物學方向，開始做抗生素等天然產物生物合成方面的研究。”賀海燕心里很清楚，研究抗腫瘤和抗菌藥物與人的健康、治療相關疾病息息相關，這是很重要的研究。

FR901464是由假單孢菌Pseudomonas sp.No.2663產生的具有高效抗腫瘤活性的天然產物，研究表明，FR901464可以抑制前體mRNA的剪接，具有極高的抗腫瘤活性。而FR901464聚酮鏈生物合成途徑的解析是賀海燕在碩博期間最重要的工作。“它活性很好，但是在天然產物中產量特別低，發酵一升產量不到10毫克，那么在臨床研究的時候，它的來源就是一個特別大的問題。”于是，賀海燕及合作者從FR901464的結構入手，對其的生物合成進行了非常詳細的研究。在原始生產菌株假單胞菌No.2663中成功地鑒定了其生物合成基因簇，闡明了FR901464生物合成是由反式-AT型聚酮合酶和非核糖體肽酶雜合體系催化完成。

“我們把它的生物合成里面特別關鍵的步驟都解決了，之后輝瑞公司在我們的基礎上，對這個天然產物生物合成進行了改進，產量提高了600多倍，每1L可以得到2.4g的產物，完全解決了來源的問題。”賀海燕的相關研究成果發表在了化學領域最富權威的學術期刊之一——《美國化學會志》（

Journal of the American Chemical Society

）上。

在研究過程中，賀海燕注意到，聚酮合成酶是最特別的催化劑，不僅具備神奇的“創造力”，而且“創造力”特別旺盛，許多物質若是碰上了它，就會變成另一種全新的物質。他決定前往加拿大英屬哥倫比亞大學化學系從事博士后研究工作，繼續研究天然產物和生物合成機制。“一方面覺得海外經歷是一個大學教授必備的要素，另一方面想去體驗海外的科研經歷是否能對自己有特別大的幫助。”賀海燕抱著最初的執念，走向了更深的科學領域。

賀海燕在加拿大工作時期照片

成長

剛到加拿大的時候，賀海燕與實驗室的其他成員都不是很熟悉，交流不多，只顧著埋頭做實驗。但隨著實驗的進行，話匣子也逐漸打開，慢慢和大家熟悉了起來，他覺得國外的實驗室和國內并沒有太大的差別。“我的導師懂得如何最大限度地激發課題組成員的潛力，那就是讓他獨立，獨立地挑選課題，獨立地解決問題，就會成長得更快。”賀海燕也正是在這種獨立中迅速地成長了起來。

賀海燕在加拿大主要研究酶催化反應，尋找一些特殊的生物分子，比如亞硝胺。“亞硝胺分子我們都知道它有非常強的致癌性，但它在生物體內是怎么合成的，我們一直不知道。”一般認為，亞硝胺是二級胺與亞硝酸在酸性條件下自發反應生成的，但是沒有充分的證據。于是賀海燕選中了鏈脲菌素（Streptozocin）進行研究，它是分離于鏈霉菌的一個非常罕見的亞硝胺天然產物，由于具有較強的細胞毒性和抗癌活性，被開發為抗胰腺癌藥物，一直用于重癥患者的治療。

賀海燕首先從生產菌株中鑒定了鏈脲菌素的生物合成基因簇，其中包含有一個精氨酸甲基轉移酶StzE；再通過體外生物化學實驗，證實了StzE可以催化精氨酸的胍基單甲基化；并且通過體內和體外實驗互相輔助，明確證實了雙鐵依賴的氧化酶StzF催化甲基精氨酸胍基的氧化，并釋放一氧化氮（NO）。賀海燕通過生物信息學分析發現，StzE和StzF兩個蛋白在很多微生物體內都是成對存在的，表明此一氧化氮合成途徑具有普遍性。該研究的相關成果，賀海燕以第一作者發表于《美國化學會志》上，而此項研究，為探索一氧化氮和亞硝胺分子在微生物和植物體內合成新途徑提供了強有力的指導。

除此之外，賀海燕最重要的工作還有甲基氮酸酯這類天然產物的生物合成研究。O-甲基氮酸酯在化學上是一種特殊的1，3-偶極子，可以與不飽和化合物在較溫和的條件下進行環加成反應，生成五元雜環，在合成化學領域具有重要的意義。“我們對O-甲基氮酸酯的生物合成進行了系統研究，徹底解決了它的生物合成這個途徑，知道它來源于甘氨酸，經過4個酶依次催化而來。”賀海燕通過生物信息學分析，在69個放線菌基因組中發現了類似的O-甲基氮酸酯的合成途徑。而在另外61個放線菌基因組中，氮酸單加氧酶（Nitronate monooxygenase）取代了O-甲基轉移酶。另外，通過體外實驗，證實了該類氮酸單加氧酶可以催化氮酸中間體的轉化，生成乙醛酸產物，并釋放亞硝酸。賀海燕的此項成果發表于頂級學術期刊《自然·化學》（Nature Chemistry）。“它生產的是亞硝酸，這跟酶生物的氮循環也是有關系的，和我之前亞硝酸的研究是相關聯的。”

在加拿大工作的6年時間里，賀海燕的研究和實驗進展得很順利，他先后對2個結構特殊、活性顯著的化合物生物合成途徑中特殊酶反應及機制進行了解析，取得了多項原創性的成果。但回國是他出國時就已經決定好的事情，2021年2月，他踏上了回國的飛機，這一站的目的地是中國醫學科學院醫藥生物技術研究所。

歸來

賀海燕的回國之路異常漫長，因為疫情的影響，他從溫哥華到廈門，廈門到西安，西安到北京，前前后后一共隔離了28天，但賀海燕的心情仍然是雀躍的。中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所是我國抗感染與微生物藥物研發與人才培養的重要基地，也是國家創新藥物研發的主要單位之一，研究內容覆蓋了從化合物到前導藥物到臨床藥物的各個方面，設有先進的化合物活性篩選及前導藥物開發平臺，也擁有豐富的制藥企業合作經驗。“我只要找到一些活性分子，很快就能進行前期的測試，大大加快我的實驗進度。”此外，在硬件支持方面，研究所給他提供了100平方米的實驗室、40平方米的辦公室，以及500萬元的啟動經費。實驗室的裝修、需要采購的儀器，賀海燕早已列好了清單，聯系了相關的公司。同時，研究所也為他配備了科研助手和每年兩名的研究生招生名額，很快組建起了科研團隊，研究組科研工作逐步步入正軌。

面對未來，賀海燕有著非常清晰的規劃。在過去30年，科學家闡述了大量結構復雜的天然產物的生物合成途徑，同時發現了各種各樣的酶催化反應，幾乎涵蓋了所有化學反應的類型。賀海燕很清楚，未來微生物制造和微生物天然產物合成生物學的研究將起到舉足輕重的作用，因此，微生物制造和天然產物藥物開發，是他今后的兩大研究方向。

“現在的化學合成有兩個缺點：一是不夠經濟，二是不夠環保。所以我希望開發一種生物的方法來生產很多化學品，類似綠色生物制造。”賀海燕有著自己的思考，生物體內有各種各樣的酶，這些酶能夠催化的化學反應特別多，大多數的化學反應，都能在生物體內找到相應的酶，只是這些酶不能直接用于生產，還需進一步優化、篩選，才能滿足生產的需要。“開發綠色的生物催化劑，雖然需要很長的時間，但是前景很廣闊。”賀海燕正在沿著這個方向來努力，他很有自信。

而天然產物作為藥物開發重要的先導化合物，其合成生物學研究將會推動新藥、新醫療策略的開發。賀海燕選中了放線菌，研究表明，超過一半的抗生素都是由放線菌產生的。放線菌的基因組較大，每個基因組包含有20～30個基因簇，但只有部分基因簇在實驗室的培養條件下是被激活的。未被激活的基因簇預示著更多新的天然產物有待被發現。近年來，超過6000株放線菌被測序，基因組數據庫越來越龐大，為基因組挖掘發現新天然產物提供了便利。“打個簡單的比方，一個放線菌可以產生十幾種抗生素，但在實驗室中培養時，只能生產三四種，也就是說每個放線菌里面還有超過10種抗生素沒有被發現。”賀海燕希望能找到這些未知的抗生素，并結合醫藥生物技術研究所現有的平臺，篩選出一些具有良好活性的分子，將其應用于某些前體藥物或臨床藥物的研究，為新藥物的開發作出貢獻。

天然產物的分離純化過程單調得有些枯燥，每周都在做相同的實驗，這是非常考驗耐心和細心的。能否從重復的實驗里找到異常的數據，再根據異常，著手下一步的改進呢？賀海燕總能從中獲得樂趣和挑戰，“這個領域正處在一個很好的發展時期，新的科學技術不斷涌現，帶來了許多新的可能性，以前無法做到的，現在都可以做到”。

與16年前的自己相比，賀海燕已經完成了當大學教授的目標。回想起自己最初的執念，他釋懷了，多年的科研經歷讓他放下了對高考狀元的過度崇拜，孩子們健康快樂地成長和享受科研的樂趣才是最重要的。展望未來，看好天然產物生物合成這個領域的賀海燕，期待著能夠在中國醫學科學院醫藥生物技術研究所破解更多關于天然產物的謎題。