编辑推荐：
这一发现可以提高化疗药物紫杉醇的生产效率。
紫杉醇是一种广泛使用的化疗药物，已用于治疗数百万卵巢癌、乳腺癌和肺癌患者。目前，紫杉醇的生产主要通过从紫杉树中提取其化学前体巴卡汀III来实现。然而，紫杉树生长缓慢，因此每棵树的药量远远无法满足其需求。
紫杉醇分子庞大且结构复杂，合成生产成本高昂。正因如此，自20世纪90年代以来，科学家们一直致力于鉴定树木合成紫杉醇所需的酶，并将其植入到能够大量生产紫杉醇的生物体（例如勤劳的酵母）中。
“我们确实需要酶来构建这种分子，酶通常是进行化学反应最高效、最清洁的方式。” 化学工程博士后学者Conor McClune 说。
如今，McClune和同事们发现了一种观察植物基因的新方法。他们揭示了合成紫杉醇（Taxol，又称紫杉醇）的几种关键酶。该团队 于6月11日在《自然》杂志上发表报告称，这些发现使研究人员距离利用工业微生物高效生产这种药物的目标更近了一步。 “紫杉醇一直是植物天然产物领域生物合成的圣杯，”该研究的资深作者、 化学工程副教授Elizabeth Sattely说道。“能够利用生物生产策略来制造像紫杉醇这样的分子，这是一个真正令人兴奋的前景。”
科学家们竭尽全力想要一窥紫杉的“实验室”。与大肠杆菌（其染色体携带约4000个基因）相比，紫杉的基因组规模庞大，约有5万个基因。缩小紫杉醇合成基因的范围已被证明非常困难。在这项研究之前，已经鉴定出12个基因，但生产紫杉醇或巴卡汀III的目标仍然遥不可及。
为了加快研究速度，斯坦福大学的团队开发了一种筛选数千种酶的方法，只筛选出制造药物所需的酶。这一方法受到了论文合著者、 生物工程和遗传学副教授Polly Fordyce研究成果的启发。他们从紫杉树上剪下针叶，并将其放入装有水和肥料的培养皿中。然后，他们有意对样本进行胁迫，添加激素和微生物，诱导针叶产生防御性化合物，其中包括紫杉醇。
研究人员将针头磨碎，从细胞中提取出大约1万个细胞核。他们对这些细胞核进行了测序，并计算了信使RNA的数量。这使得科学家们能够发现哪些基因被压力源激活——RNA越多，特定基因被转录并转化为蛋白质的量也就越大。
通过这种方式，研究团队可以观察到哪些基因同时闪烁，表明它们可能正在合作产生蛋白质。科学家们从已鉴定的12个参与紫杉醇生成的基因开始，寻找可能与这12个基因协同作用的基因。他们列出了一些有希望的基因，然后将这些候选基因插入烟草植株中，观察它们是否能促进紫杉醇生成的化学反应。
实验发现了八个对合成该药物至关重要的新基因。其中一个名为FoTO1的基因在简化和引导反应中起着尤为重要的作用。这些新发现的酶正是合成巴卡汀III所需的关键步骤。事实上，烟草植株产生的巴卡汀III浓度高于紫杉。“理论上，只要稍加调整，我们就能大量合成这种物质，不再需要紫杉来获取巴卡汀，”论文的共同第一作者McClune说道。
研究小组还鉴定出一种酶，它催化了巴卡汀和紫杉醇之间的一个化学步骤，这有助于进一步推进该途径，使其超越巴卡汀——距离紫杉醇仅剩最后两个步骤。巧合的是，今年4月，哥本哈根大学的科学家们 鉴定出这两个酶的碎片 ，它们将反应从巴卡汀III推进到紫杉醇。综合起来，目前发现的22个基因可能代表了紫杉的化学配方。“我们现在拥有了完整的基因组合，可以从零开始合成紫杉醇，”麦克卢恩说。
研究人员计划在不久的将来，在烟草植物中验证这最后两种酶是否能与其他20种基因协同完成紫杉醇的合成。如果配方确实完整，那么编码这些酶的基因就可以被插入到微生物中。麦克卢恩表示，酵母菌株可以被改造成“极其高效的化学工厂”，实现商业规模生产这种药物。
更广泛地说，这种测试数千个细胞核的新方法或许能为植物化学带来更多发现。紫杉并非唯一神秘的植物化学家。麦克卢恩和他的同事目前正在研究常见作物的基因组。McClune说，这些蔬菜“富含一些酶，它们正在进行有趣的化学反应，但我们只是不知道它们在做什么”。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
