一種酵母替代罌粟合成那可丁的方法

05-14

那可丁（noscapine）是從罌粟中提取出來的的天然苯酞異喹啉生物鹼藥物。儘管目前是在罌粟之中，但其作為一種安全的非麻醉性鎮咳葯已經在世界範圍內被使用50多年。那可丁也被證明具有抗癌活性;然而，那可丁用於治療癌症時所需的劑量遠高於用作止咳劑時的劑量（癌症治療為1,000-2,250mg / d，咳嗽治療為45-200mg / d）。由於其長期以來的安全使用記錄，那可丁是一種令人信賴的候選抗癌藥物，並且已在某些國家用於非癌症治療。另外，一些那可丁衍生物由於可以增強體外和體內的活性或水溶性而對某些癌細胞系表現出更高的治療潛力。那可丁及其類似物（統稱為noscapinoids）作為一類新興的微管調節抗癌藥物，其副作用與傳統化療藥物相比更小。因此，使用那可丁進行癌症的治療時是一種不錯的選擇。

目前，所有的那可丁都是從罌粟中提取。每年需要從數千噸的罌粟稈原料中提取出數十噸的那可丁，來滿足醫療和科學的需求。罌粟的種植產業很容易受到環境因素的影響，如害蟲，疾病和氣候等，導致這個地區的集中供應鏈出現不穩定性和變異性。依靠麻醉品供應鏈（即罌粟）生產非麻醉藥物會給採購帶來不必要的障礙和額外的成本。儘管存在這些問題，罌粟種植仍然是那可丁的唯一來源，部分原因是這些複雜分子的化學合成不具有商業的競爭性。有報道說通過化學合成可以產生大量那可丁及其衍生物，但目前尚無法用於大規模生產。

目前工業上擁有一種以微生物為基礎的生產方式，來生產那可丁及其衍生物，它有可能解決目前與罌粟供應鏈相關的許多問題。微生物的工業培養，如麵包酵母、釀酒酵母等的發酵時間只有短短的數日，而罌粟則是一年才能成熟一次，因此，微生物的工業培養可以從根源上解決那可丁及其衍生物供應不足的問題。此外，由於微生物在封閉的發酵容器中生長，在生產過程中不易受到外部環境因素的影響，並且可以得到在批次間的產品組成和雜質概況。最後，通過設計一種不會存在更廣泛的麻醉生物鹼微生物，從而可以消除與嚴格控制的供應鏈相關的不必要的障礙。

近年來，許多先進的研究已經證明了酵母中的複雜植物途徑的重建，其中就包括了阿片類藥物的完全生物合成。最近，來自加州達大學濱河分校和斯坦福大學的科學家們在PNAS雜誌上發表了一種生物合成那可丁的方法。因此科學家們在酵母中重建了那可丁的基因通路，其中涉及到10個關鍵的基因簇，實現了從（S）-canadine和norlaudanosoline到那可丁的微生物生物合成。

在這項研究中，科學家們採用應變優化方法來增強酵母中那可丁的產量。如上圖所示，（A）從途徑和酶改進工程化的酵母菌株的那可丁滴度。（B）通過NADPH再生來優化那可丁的生產。圖示結果為釀酒酵母內源基因在CSY1152中由低拷貝質粒表達，所有菌株在含10％抗壞血酸的2％葡萄糖存在下，於25℃在SD中培養72小時。

同時，此團隊也進行了體系優化，增強酵母中那可丁的生產。在CSY1153中，在不同的培養基和碳源中測量了那可丁的滴度。其中，基礎培養基包括SD（合成完整）和YP（酵母提取物和蛋白腖）；碳源包括2％或10％葡萄糖，半乳糖，蔗糖，海藻糖和甘油；將菌株在含有10mM抗壞血酸的指定培養基組合物中，於25℃培養72小時。

在這裡，先進的生物合成技術向我們展示了通過單一工程酵母菌株從頭生產抗癌生物鹼那可丁的過程。科學家們利用工程改造初始酵母菌株以表達來自植物、細菌、哺乳動物和酵母的29種酶，最終得到了產生120-230ng / L的那可丁。而通過優化酶的表達水平，並且優化酵母菌發酵的條件，將那可丁的濃度提高18000倍，最終達到2.2mg/L的產量。通路和工藝的進一步優化將使其擴大到與商業相關的領域，為不依賴罌粟種植的那可丁和相關分子提供供應鏈。此外，基於酵母的生物合成平台還支持新型苄基異喹啉生物鹼的合成，並且對新型藥物的發現具有強烈的推動作用，特別是對於新的化學治療藥劑。

由此可見，生物合成技術對人類社會的發展至關重要。並且隨著時代的發展，合成生物學將催生下一次生物技術革命。目前，科學家們已經不局限於非常辛苦地進行基因剪接，而是開始構建遺傳密碼，以期利用合成的遺傳因子構建新的生物體。合成生物學在未來幾年有望取得迅速進展。據估計，合成生物學在很多領域將具有極好的應用前景，這些領域包括更有效的疫苗的生產、新葯和改進的藥物、以生物學為基礎的製造、利用可再生能源生產可持續能源、環境污染的生物治理、可以檢測有毒化學物質的生物感測器等。

嘉興欣貝萊生物科技有限公司專註於合成生物學的研發和產業推廣，致力於打造綠色環保的生產製造工藝，並且在原有的工藝基礎上不斷改進完善。嘉興欣貝萊生物科技有限公司擁有先進的設備與儀器，同時擁有在一支不斷創新的科研隊伍，他們都有著很高的學歷以及豐富的經驗，科研成果覆蓋醫藥、化學、保健等領域，為生物合成的發展貢獻力量！