科技日报记者 江耘 通讯员 岳思聪 周天宇
长春花是随处可见的普通观赏花卉，却是临床核心抗癌药物长春碱唯一的天然提取来源。但天然提取工艺存在致命短板：每2000公斤长春花干叶，仅能提炼出1克长春碱。极低的天然含量让这种救命药长期面临成本高企、供应不稳的难题。
近日，浙江大学化学工程与生物工程学院、杭州国际科创中心连佳长研究员团队，联合加拿大新布伦瑞克大学曲洋团队、西湖大学王雅婕团队取得重大科研突破，彻底打破长期限制长春碱人工微生物合成的产量瓶颈。
改造后酿酒酵母体内，长春碱直接前体长春质碱产量可达164.9mg/L，相较全球此前公开最高数据提升近1000倍。相关成果被国际顶级期刊《科学》接收，并于北京时间7月17日凌晨以First Release形式在线优先发布。
微生物 “药物工厂” 遇阻：跨细胞区室合成路径损耗严重
本次千倍级产量突破，依托合成生物学实现。合成生物学就像搭积木一样，能把以酵母为代表的微生物的基因重新进行编程。重新编程后的酵母菌，能够模仿对应的植物细胞生产特定的化学品，进而依靠安全无毒、繁殖快、产业成熟等优势，从做馒头的“劳模”变身成能够生产特定化学品的“大规模加工厂”。
早在2022年，连佳长团队就已将长春碱前体长达30步的关键合成途径“搬”进了酿酒酵母，但研究很快陷入僵局：产量始终停留在微克每升级别，距离工业化生产标准相差甚远。
团队深挖细胞内部机理，找到问题根源：长春碱在细胞中的合成不是一条连贯的流水线，而是一场跨区室的“接力赛”。其合成路径横跨细胞核、内质网、液泡、细胞质等多个“车间”，中间产物要在不同“车间”依次传递。
其中最脆弱的一环在于一种名为异胡豆苷苷元的中间体。这个中间体性质极不稳定，生成后很快就会降解。催化它生成的SGD酶位于细胞核，而接收它的GS酶却主要分布在细胞质，两个酶被核膜隔开，绝大多数中间产物还没来得及完成传递，就已经在扩散途中分解失效。
“我们在酵母细胞中合成长春碱前体的产量远低于长春花的细胞，这说明长春花细胞中一定有个关键的未知因子在中间发挥了作用，可谁也没找到它。”连佳长分析认为。
跨国跨学科联动，意外锁定关键未知基因
研究转机，来自一场跨越大洋的跨国学术交流。连佳长团队此前发表的研究成果引起加拿大新布伦瑞克大学曲洋团队关注，双方通过邮件持续交流，成为线上学术伙伴，直至论文发表前一个月才首次线下碰面。
连佳长表示，两个团队分别具备工科工程思维与理科植物生化研究思路，跨学科碰撞为研究带来全新思路。
双方的一次对话中，讨论到了一个反常的现象：在病毒介导的基因沉默实验中，一个名为CAD2的基因一旦被“关闭”，长春碱产量就直接跌到了原先的10%。
在此之前，学界普遍认为CAD2的主要作用是控制木质素合成，即细胞壁的主要组成元素，这跟长春碱的合成怎么看也搭不着边。这就好比有一个制造业工厂，管理工厂围墙修缮的工人请病假了，结果工厂却突然有一条流水线莫名其妙地产量暴跌，令人感到匪夷所思。
“更让我们诧异的是，这个基因恰好紧挨GS酶的编码基因，和长春碱合成相关的多个基因成簇排列在基因组上，而且长春碱含量越高的植物组织，它的表达量也越高。”博士生高笛介绍。
团队立刻敏锐地意识到这个基因可能就对应着团队长期在寻找的未知因子。为了探索其中的奥妙，连佳长又联系上在蛋白工程领域深耕多年的西湖大学王雅婕团队，开展横跨合成生物学、植物生物化学和蛋白工程三学科的联合科研攻关合作，力求探索清楚长春碱合成背后的奥妙。
发现“分子桥梁”VinBLAST：双重buff实现效率飞跃
联合攻关很快就取得了突破。当CAD2基因被整合进酵母菌株后，产物产量实现了跃升。团队迅速确认了这个蛋白的关键作用，并将这个关键蛋白因子命名为VinBLAST。
VinBLAST就像一座为长春碱合成量身打造的“分子桥梁”，一头拽住细胞核里的SGD酶，另一头拉住细胞质里的GS酶，硬生生把两道被核膜隔开的工序“撮合”到细胞核内，形成稳定的多酶复合体。不稳定的异胡豆苷苷元刚一生成，就能直接传递到下一道酶的活性位点，极大减少了原本因跨区室运输而造成的损耗。
更让团队惊喜的是，这座“分子桥梁”还自带“加速BUFF”。VinBLAST与GS酶结合后，会重塑GS酶的底物通道，让GS酶的催化效率直接飙升24倍。
一边打通空间壁垒，一边升级催化效率，双重作用叠加下，长春质碱在改造后的酿酒酵母中产量达到164.9mg/L，较此前报道水平提升近1000倍，合成效率甚至超过了长春花自身。
不止抗癌药！这项发现是天然药物合成“通用钥匙”
这一发现的价值远不止于此。VinBLAST作用的代谢节点，是700多种单萜吲哚生物碱的共同“母核”，抗心律失常药阿玛灵、镇痛药士的宁等重要药物都源自这一分支。
更关键的是，这种由木质素合成途径中的关键酶进化而来的支架蛋白在植物界高度保守，哪怕是烟草、葡萄这类与长春碱合成无关的远缘物种，其同源蛋白在酵母中同样能发挥增产作用，相当于为一大类天然药物的微生物合成送上了一把“万能钥匙”。
谈及研究初心，连佳长分享了一段学科传承故事：自己刚入职时，中国工程院院士任其龙得知他主攻长春碱研究，十分欣慰。任其龙年轻时首个科研项目，正是长春碱提纯与化学修饰，以此制备药效更优的长春瑞滨。“他还向我展示了那时候他的研究手稿，我当时深受鼓舞，下定决心一定要把这个东西做出来。”连佳长说。
两代科研人跨越数十年，研究手段迭代更新，但目标始终一致：突破技术壁垒，降低高价抗癌药生产成本，让救命药惠及每一位有需要的患者。
目前团队已与相关机构展开合作，持续推动长春碱等生物碱的规模化制备攻关，让“天价救命药”走下神坛的愿景正一步步靠近。
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