许先慧 科技日报记者 李禾
近日，浙江大学连佳长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，在国际学术期刊《科学》在线发表研究成果：通过改造酿酒酵母，将长春碱直接前体之一——长春质碱的产量提高到164.9毫克/升，较此前报道水平提升近1000倍，为这类药物原料的稳定供给提供新路径。
长春碱是临床常用的化疗药物，其已知唯一天然来源是长春花，约2000公斤长春花干叶才能提取1克长春碱，因此长期面临原料成本高、供应易受种植和气候等因素影响的问题。怎样把这条依赖植物种植的生产链，变成可控制、可放大的工业过程？科学家曾尝试通过化学全合成解决来源问题，但长春碱结构复杂，反应步骤多，成本和效率都难以满足规模化需求。近年来，合成生物学发展提供了另一种思路：把植物负责合成药物的基因“搬”进酵母等微生物，让微生物像小型工厂一样生产目标分子。
上述思路并不新鲜，真正困难的是提高产量。长春碱的合成路径较长，涉及约30步反应，而且这些反应分布在细胞内的不同区域。此前，科研人员已把相关合成路径导入酵母，但产量长期停留在较低水平，距离产业化要求还有明显差距。
其实，问题出在中间产物的“交接”上。一个极不稳定的中间产物在细胞核内生成后，需要交给下一步反应所需的酶；如果“交接”不及时，它就会在转运过程中分解流失。联合团队发现，一个名为CAD2的基因与这一过程密切相关。实验显示，CAD2被“关闭”后，相关产物产量降至原来的约10%。研究确认，CAD2编码的VinBLAST蛋白并不是普通反应酶，而是类似“支架”“连接器”：它能把原本分散的两个关键酶聚集到同一区域，让不稳定的中间产物迅速进入下一步反应。
VinBLAST还表现出第二种作用。它与负责下一步转化的GS酶结合后，可改变其结构，使催化效率提升约24倍。在“减少损耗”“加快反应”的双重作用下，改造后的酿酒酵母中长春质碱产量达164.9毫克/升，较此前报道水平提升近1000倍。
需要说明的是，长春质碱只是合成长春碱的两个直接前体之一，并不等同于成品药。它还需要经过后续反应和加工，才能转化为临床使用的药物。因此，此次成果解决的是关键原料高效制备问题，为后续规模化生产打下基础。
这项研究的价值，并不限于长春碱。VinBLAST作用的代谢节点，可进一步生成700多种单萜吲哚生物碱，包含多种具有药用潜力的天然产物。研究还发现，烟草、葡萄等亲缘关系较远植物中的同源蛋白，也能在酵母中发挥类似增产作用。这提示，类似的“支架蛋白”机制，可能为更多植物来源药物的微生物制造提供借鉴。
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