PNAS:将大肠杆菌转变为制药工厂
来宝网 · 2016/03/18
个国际科研团队最近发表在PNAS上的研究试图在大肠杆菌中使用细胞色素P450酶—在自然界通常用于分子氧化—来系统化高水平的氧合化学。


紫杉醇是世界知名的抗癌药,已被证明从20世纪70年代起就对多种癌症具有显著疗效。它是一种来自于紫杉树树皮的天然物质,正因为如此,它的分子结构非常复杂,它的作用机制同样如此:在1977年,有研究表明,紫杉醇可以结合到细胞的微管组装中,并稳定微管,这防止收缩,并防止伴随细胞分裂减慢发生的染色体分离。

由于它是天然来源,难以人工合成,紫杉醇的供应最初是受限的;后来私营企业的研究人员想出如何从普通紫杉树中提取紫杉醇的前体并应用化学合成技术来生产该药物。目前,百时美施贵宝公司采用细胞培养法来生产紫杉醇。

着眼于将来,研究人员认为,代谢工程是生产复杂分子,包括药品,保健品,香精和香料等最有前途的方法。代谢工程可通过改变单个细胞的遗传和调控系统来生产预期的物质——本质上是将现有的细胞转变成小型工厂。紫杉醇被认为是这种生物合成途径极有可能的候选物。

一个国际科研团队最近发表在美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的研究结果致力于克服代谢工程中现有的一些障碍,并选择一个特定的紫杉醇前体作为自己的目标。考虑到新类型的代谢化学过程包括聚合,环化以及糖基化,他们试图在大肠杆菌中使用细胞色素P450酶—在自然界通常用于分子氧化—来系统化高水平的氧合化学。

细胞利用一个特定的系统来构造复杂分子。首先,它们通过聚合和环化基础代谢元件来构建支架。一旦支架到位,剪切酶用一部分的官能团来修饰分子—基本上,分子中起作用的只是一部分—和这些功能过程在氧合作用中有一个层次结构,这是由酶P450介导的,也是非常重要的。P450广泛存在于天然代谢化学,因为它具有选择性氧合无活性碳的独特能力,这也使得它特别适合用于分子生物合成领域。

研究人员并没有试图产生紫杉醇,这是一个艰巨的任务;相反,他们试图系统化在药物生物合成过程中的第三步。他们在大肠杆菌中设计了P450介导的催化作用,并第一时间证明,该细菌是植物细胞色素P450的合适宿主。他们写道,“最终,这项工作推进了紫杉醇代谢工程,而在过去的五年里该工程一直处于停滞状态。”

他们也发现,单一通路模块的高表达会影响上游酶的表达,进而破坏它们分子系统的整体性能。确切原因虽然未知,但他们推测,这可能是P450酶独享在后期所需的某些资源的结果。他们写道,“充分阐明紫杉醇途径的工作尚未完成,并且愈发显得比原先认为的复杂......这项工作奠定了P450酶在大肠杆菌体内更快,更高效表达的基础,希望在不久的将我们会看到复杂的生物合成物和宝贵的天然产物的大规模应用。”

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  • Overcoming heterologous protein interdependency to optimize P450-mediated Taxol precursor synthesis in Escherichia coli

    Recent advances in metabolic engineering have demonstrated the potential to exploit biological chemistry for the synthesis of complex molecules. Much of the progress to date has leveraged increasingly precise genetic tools to control the transcription and translation of enzymes for superior biosynthetic pathway performance. However, applying these approaches and principles to the synthesis of more complex natural products will require a new set of tools for enabling various classes of metabolic chemistries (i.e., cyclization, oxygenation, glycosylation, and halogenation) in vivo. Of these diverse chemistries, oxygenation is one of the most challenging and pivotal for the synthesis of complex natural products. Here, using Taxol as a model system, we use nature’s favored oxygenase, the cytochrome P450, to perform high-level oxygenation chemistry in Escherichia coli. An unexpected coupling of P450 expression and the expression of upstream pathway enzymes was discovered and identified as a key obstacle for functional oxidative chemistry. By optimizing P450 expression, reductase partner interactions, and N-terminal modifications, we achieved the highest reported titer of oxygenated taxanes (∼570 ± 45 mg/L) in E. coli. Altogether, this study establishes E. coli as a tractable host for P450 chemistry, highlights the potential magnitude of protein interdependency in the context of synthetic biology and metabolic engineering, and points to a promising future for the microbial synthesis of complex chemical entities.

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