【編者按】 在上海市科學技術委員會資助（專案編號：22DZ2304300）下，澎湃新聞聯合【世界科學】對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。
本文圍繞2019年上海市自然科學獎一等獎專案「微生物源天然產物的生物合成和分子創新」展開，該獎項由中國科學院上海有機化學研究所劉文研究員團隊獲得。
大自然的恩賜——天然產物
從自然界裏的動物、植物、微生物體內分離、提取得到的活性小分子，通常被稱為天然產物（NPs）。我們看到的有顏色的物體，聞到的氣味，嘗到的味道以及日常用到的日化品，很多都來自天然產物。作為大自然無私的原始饋贈，天然產物是一個巨大寶庫，蘊含著人類尚未完全揭開的秘密。從古人用發酵法從五倍子中得到沒食子酸，到李時珍用昇華法制備並純化樟腦，再到德國藥劑師從罌粟中首次分離出單體化合物嗎啡，千百年來，人類對天然產物的探索和解密從未停止。
天然產物中有很多明星分子，如青蒿素、青黴素、紅黴素等，它們的發現和套用對人類健康和疾病治療作出了重要貢獻。青蒿素的發現受到了中醫藥典籍的啟發，由中國科學家從中藥黃花蒿中提取、鑒定並合成。青蒿素被廣泛套用於瘧疾治療，使全球數億人受益。主要發現者屠呦呦教授因此成為首位獲得諾貝爾生理學或醫學獎的中國科學家。青黴素是最早被發現的抗生素，由英國醫生亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）偶然從放置發黴的細菌培養基中觀察到，他將這種黴菌產生的化學物質命名為青黴素。青黴素可以殺死多種細菌，由此開創了現代抗生素的歷史，並且挽救了無數患者的生命。紅黴素是繼青黴素之後被發現的又一種重要的抗生素，由禮來公司從菲律賓的土壤細菌中提取。紅黴素能夠治療多種細菌感染，為許多患者提供了有效的治療方案，是不可或缺的藥物之一。在上述三種明星分子中，青黴素和紅黴素均來源於微生物。微生物是自然界中廣泛存在的微小生物，它們具備豐富的代謝能力，可以合成各種復雜的天然產物。而這些來源於微生物的活性小分子同樣也在我們生活的方方面面發揮著不可忽視的作用。
生產生活中的微生物源天然產物
農業 到目前為止，化學殺蟲劑一直是控制農業生產害蟲的首選。由於化學殺蟲劑對環境的危害和對人體的潛在風險，具有較強殺蟲能力、對環境友好、對人體毒副作用低的生物殺蟲劑似乎是更好的選擇。阿維菌素是來自土壤細菌的生物殺蟲劑，可以幹擾害蟲神經生理活動，使害蟲迅速麻痹，因其殺蟲效果顯著、用量極低，對人畜和環境都十分安全。
工業 如何以一種可持續、綠色清潔的方式生產工業產品對於保障社會經濟可持續發展而言至關重要。除了微生物發酵產生的酒精、食醋、乳酸等大宗工業品外，微生物可以產生具有明亮色彩的天然染料，如靛藍素和類胡蘿蔔素被廣泛套用於紡織業和印刷業中。微生物還能夠生產具有特殊香氣和風味的化合物，如香蕉酮和丁香酚被用作香水和香精的添加劑。
食品 在生活中到處可見的益生菌食品為什麽受人追捧呢？因為益生菌可以促進腸道營養物質的吸收，清除或減少致病菌的黏附，還可以維持腸道菌群結構平衡，改善便秘、腹瀉以及消化不良的癥狀。乳酸菌是一類常見的益生菌，能夠透過發酵作用合成乳酸和其他有機酸。除此之外，乳酸菌還會產生一些活性物質，比如乳酸菌素和乳桿菌素，這些物質具有抗菌、抗氧化等生物活性。
護膚品 在護膚方面，微生物源天然產物也表現出驚人的優勢。酵母是護膚品領域常見的微生物，透過發酵過程可以產生多種小分子化合物，其中包括多肽、多糖、多酚類物質等。這些物質可以促進肌膚的新陳代謝，增加膠原蛋白的合成，從而達到保濕、抗皺、美白等效果。
醫藥 微生物源天然產物結構復雜，其在醫藥領域有著重要的套用和繼續開發的前景，來源於微生物的β-內醯胺類、大環內酯類、胺基糖苷類等次生代謝產物已被廣泛套用於抗感染、抗腫瘤、免疫抑制、降血糖等醫療領域。與傳統的化學合成分子相比，這些來源於微生物的活性小分子往往靶點明確、藥效顯著，為藥物發現和創新帶來了優勢和挑戰。
更新叠代的微生物源天然產物
自然界的微生物雖然分布廣泛，但是其所能生產的各種產品的種類和產量仍然有限。因此，豐富微生物細胞生產化學品的種類和提高細胞的生產效率成為微生物源天然產物相關研究領域的兩個關鍵問題。
一方面，針對微生物源天然產物新品種的獲得問題，目前的主要解決策略包括透過基因組挖掘的方法充分開發微生物資源以尋找新分子，以及透過代謝途徑的改造在已知天然產物的基礎上進行修飾得到新分子。由於前進演化上的特征，微生物的基因組中編碼天然產物的基因往往成簇存在，這使得挖掘和改造其產生的天然產物有跡可循。目前已有大量關於微生物源天然產物挖掘的研究報道。例如，核糖體肽已經成為活性小分子的主要來源，正在以前所未有的速度和規模被發現和表征，成為新藥開發的潛力股。同樣，對天然產物的生物合成途徑進行人工修飾以獲得非天然的「天然產物」的案例也越來越多。例如，阿尼芬凈在臨床上可用於治療深部真菌感染，其生產過程就是在真菌發酵產生的小分子母核的基礎上，透過微生物轉化實作其中關鍵的結構修飾。
另一方面，許多微生物源天然產物並未達到大規模生產的要求。許多活性小分子經常是以毫克為單位來計算的，產量很低，不具備經濟可行性，可能直接導致無法生產或者相應產品價格高昂。針對這一問題，早期的解決方法主要透過自然篩選和誘變育種的方式獲得高產微生物，然而這種非理性策略效率極低。隨著生物學技術的不斷發展，對微生物系統認知和改造能力的進步促使「合成生物學」（一門結合了生命科學觀察分析方法和工程學設計思維的學科）誕生。從合成生物學的研究視角來看，可以在微生物宿主裏把一些原本不表達的沈默基因啟用，也可以表達一些來源於動物、植物體系的基因，甚至可以表達自然中不存在、透過人工合成的基因。
世界上最小的工廠——微生物細胞工廠
微生物是藥物發現與發展的重要源泉，也是藥物高效精準制備的理想「細胞工廠」。一提起工廠，人們腦海中浮現的應該就是固定的廠房、流動的工人、快速的物流；而提到微生物，你可能又會想到那些潛伏在我們身邊，可能引起食物腐敗、傷口感染和傳染病暴發的看不見摸不著的小家夥。那麽，工廠和微生物是怎麽聯系在一起的呢？一般而言，工廠是指經人工設計具備一定生產線，配備相應的動力等輔助系統，並在一定的管理程式下執行的生產系統。而經過合理設計的微生物細胞就像一座「微型工廠」，輸入原料後，其體內的遺傳資訊仿佛一台智能電腦快速運行程式，在代謝能的驅動下，經設計最佳化的「生產線」開始運作，最後輸出特定產品。微生物細胞工廠具有高產率、低成本、易操作、綠色環保等優點，在生物醫學、生物材料、食品、化妝品等領域得到廣泛套用。
為了適應規模化工業套用，需要對微生物細胞工廠進行改造。理想的微生物細胞工廠的原料範圍可以不斷擴大，盡可能提高能源吸收和產品產量。而隨著產量接近理論的最大值，無論是從上遊的菌株構建，中遊的放大效應，以及下遊的工業化生產角度，如何進一步提高產量將更具挑戰性，這就要求更合理、更系統的工程策略。
如何讓微生物這一細胞工廠變得更加高效？
透過對微生物的基因組學、蛋白質組學、代謝組學、轉錄組學等方面的深入研究，可以發現其中許多代謝途徑和酶的作用機制，並基於對這些機制的理解構建高效的微生物細胞工廠。隨著生物學技術的更新叠代，目前已經開發了諸多構建微生物細胞工廠的基因工程、蛋白質工程、代謝工程策略，有助於微生物細胞工廠在復雜的套用環境中突破瓶頸，提高目標產品的產量。
基因工程指以分子生物學和微生物遺傳學的方法，將基因按預先設計的藍圖進行重組、複制和表達（即重組DNA技術），涉及對DNA的人工改造，透過向微生物中引入外源基因或改變其內源基因的表達，以實作對特定性狀的控制和改善。蛋白質工程指利用分子生物學技術對蛋白質的結構和功能進行改造，透過對編碼蛋白質的基因進行有目的的設計和改造，調控蛋白質的性質，例如改善其穩定性、活性、抗原性、溶解性和免疫原性等，從而適應不同的套用需求。代謝工程指透過改造和調節細胞代謝網絡，以實作對目標產品產量、代謝途徑及代謝產物的調控和最佳化，使其能夠有效地合成所需的化合物，通常涉及對微生物基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組的分析和調控。
與此同時，作為輔助和指導工具的資訊分析也在與時俱進，生物資訊學的發展將微生物研究推向了一個新時代。利用細胞內極其復雜和動態的生活環境中的生物成分，開發出 「設計-構建-測試-學習」（DBTL） 叠代迴圈，它依賴於數據分析和數學模型，目標是進行功能表征和響應反饋，構建更加高效簡便的微生物細胞工廠。毫無疑問，這些廣泛而深入的研究將為開發更好的微生物源天然產物提供巨大的潛力。
近年來，合成生物學作為一門新興學科得到了迅速的發展。透過合成生物學技術，可以最佳化微生物細胞工廠的代謝能力，也可以最佳化天然產物的生物合成過程。此外，基於對天然產物生物合成的認知，可以利用合成生物學技術改造微生物細胞工廠，實作目標代謝物的定向修飾，生成在自然界難以獲取的獨特產物。
微生物源天然產物的生物合成和分子創新
微生物產生天然產物的目的並非為人類所用，而是作為應對各種外部環境關切的工具或媒介，比如訊息傳遞、競爭拮抗和環境適應等。這些生物學過程常常是動態、可變的，會對生物體提出新的合成要求，透過其產物的結構改變、最佳化和最終選擇來適應各種生物學功能的變化。因此，生物體與其內外環境的相互作用推動了天然產物與生物學的共前進演化，也導演了自然中基於普適性與特異性規律的小分子前進演化、演變的基本法則。理解天然產物生物合成的普適性與特異性規律，並基於這些理解人為加速小分子的前進演化、演變過程，將極大促進微生物源天然產物的發現、結構多樣性擴充套件和套用的行程。
中國科學院上海有機化學研究所的劉文研究員團隊，遵循「師從於自然、認知於自然、創新於自然」的研究思路，專註於微生物產生體系中天然產物的生物合成途徑的建立和新型酶學機理的闡明，致力於發展天然產物發現新策略，並運用合成生物學的理念加速小分子的演化過程及擴充套件它們的用途，取得了系列國內外同行高度評價和廣泛關註的引領性成果。團隊系統揭示了林可醯胺類、硫肽類、螺環乙酰乙酸內酯類等 多個代表性抗生素家族的生物合成機制 ，極大地豐富了基於普適性與特異性規律去認知小分子天然產物自然演變法則的理論。例如，林可醯胺類抗生素是一類產生於鏈黴菌的含硫抗生素，其中， 林可黴素被廣泛用於治療革蘭氏陽性細菌引起的感染，在臨床上的套用已長達半個多世紀。但是，該家族抗生素的生物合成機制一直不清楚，嚴重妨礙了相關新藥的研發和高效制造。 劉文團隊在【自然】（Nature）上發文，揭示了兩個小分子硫醇——麥角硫因（EGT）和放線硫醇（MSH）——參與的林可黴素生物合成機制，打破了長期以來人們對生物體內廣泛存在的小分子硫醇解毒功能的認知禁錮， 揭示了一條全新的硫元素引入天然產物分子的新途徑 。在隨後的研究中，團隊陸續揭示更多來源於微生物體內降解或解毒途徑的功能蛋白在活性分子林可醯胺類抗生素構築中發揮的重要作用，詮釋了微生物生物合成所體現的不破不立、對立統一的自然規律。
盡管微生物源天然產物結構復雜多樣，但在微生物體內，它們都是以小分子羧酸、胺基酸和單糖等簡單的初級代謝產物分子作為受質，遵循一定的化學原則，經過系列酶的順序協作催化反應而形成。天然產物生物合成過程中新型獨特酶的發現及其酶學機制的解析，將豐富合成生物學的元件，是成功運用合成生物學手段構建微生物「細胞工廠」的關鍵。螺環乙酰乙酸內酯類抗生素吡咯吲哚黴素的骨架構築過程中，團隊發現了兩種不同的酶，可以極大地促進狄爾斯-阿爾德（Diels-Alder，D-A）環化反應的發生。D-A反應是合成化學中最重要的反應類別之一，作為一種極為有效的碳-碳鍵手性構築手段，廣泛地套用於合成化學、藥物化學、材料化學等領域，科學家們早已預言D-A反應可能存在於生物體系中，然而數十年來卻無法確切地判斷D-A反應酶到底是否天然存在。該發現為回答這一生物和化學領域長期爭論但懸而未決的科學難題創造了有利的契機。團隊在硫肽類抗生素生物合成途徑中發現了一個S-腺苷甲硫胺酸（SAM）依賴的新型酶蛋白催化自由基介導的酶促結構重排。自然界中以SAM介導的自由基酶促反應數以萬計，但相關酶學機制知之甚少，很大程度上在於對相關產物和自由基轉化過程缺乏了解。該酶的發現和催化機制的揭示，在理解SAM依賴的自由基蛋白所催化的復雜結構重排反應方面邁出的重要一步，對構築具有獨特結構單元和重要藥學活性，尤其是具有芳香結構單元的化學分子具有重要的意義。
劉文團隊的研究策略
基於對天然產物分子生物合成機制的原理性發現，劉文團隊積極拓展理論研究在方法學上的套用，采用生物技術解決合成化學的難題，擴充套件微生物源天然產物的結構多樣性與用途。提出了「復用組合生物合成」的概念，把組合化學的思想套用到生物合成的各個階段，最大限度地豐富分子的多樣性和用途。以抗黴素的鏈黴菌產生體系為模型，運用以多樣性為導向的生物合成策略構建了包含數百個成員的雙內酯天然產物類似物庫； 透過篩選，獲得了一大批活性高於母化合物的結構單體 ，並引入了大量藥學上重要、化學上活潑或天然不存在的功能基團。基於對硫肽類抗生素系統性共性和個性生物合成機制的解析，與合成生物學的理念相結合， 設計、並以細菌作為「細胞工廠」生物合成了數十個新型的硫肽抗生素 ，其中氟取代的硫鏈絲菌素衍生物與對照藥物、臨床上作為最後一道防線的萬古黴素相比，對耐藥致病菌的活性高出200倍以上，是優良的抗感染藥物先導物，激發了國際上以「細胞工廠」進行硫肽結構衍生的熱潮。 目前，生物合成創造的新硫肽已遠超過去70年自然分離的總和 。
此外，團隊關註國家需求，致力於中國大宗抗生素產品產業化方面一些關鍵科學問題的突破及相應理論和方法的套用轉化。研究團隊透過采用合成生物學技術設計的紅黴素、林可黴素、阿維菌素等抗生素新工程菌株提高了產品的產量和質素，運用合成生物學的理念加速小分子的演化過程並擴充套件其用途，在大宗工業發酵產品技術發展變革方面產生了良好的示範作用。
未來，關於高效微生物細胞工廠的研究趨勢是將合成生物學與其他學科相結合，如電腦科學、人工智能和機器學習等，以實作更精確的設計和預測。這些技術的結合將加速活性小分子的發現和套用，並推動微生物源天然產物的生物合成和分子創新進一步發展。
(作者劉文是中國科學院上海有機化學研究所副所長、研究員、博士生導師，上海市技術發明獎一等獎第一完成人；趙群飛是上海中醫藥大學研究員、碩士生導師，上海市技術發明獎一等獎第二完成人；陳單丹是中國科學院上海有機化學研究所副研究員；嶽厚汝是上海交通大學生命科學技術學院研究生。)
