中國網/中國成長門戶網訊 萜類化合物是由異戊二烯單位構成的無機化合物，已知構造超80000種，具有多樣的生物活性。依據異戊二烯單位多少數字的分歧，萜類化合物被分類為單萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜、四萜等，具有復雜多變的空間構造和多樣的理化性質與生物學效能。例如，倍半萜青蒿素是具有抗瘧活性的諾（貝爾）獎級藥物，二萜紫杉醇是抗癌範疇的“明星”藥物，三萜角鯊烯具有保濕和滲入功能，四萜蝦青素具有明顯抗氧化感化。這些奇特的性質使得萜類化合物在醫藥、噴鼻料、化裝品、食物添加劑等範疇有普遍利用。
跟著分解生物學的蓬勃成長，萜類化合物的研討與開闢正慢慢成為推進生物科技立異、加快財產進級的主要氣力。但是，在這一過程中，也存在著諸多挑釁。一方面，跟著基因組測序技巧的日益成熟，internet上會聚了海量的未判定分解酶資本，若何高效發掘并充足應用這些可貴資本成為亟待處理的題目。另一方面，盡管萜類化合物的高產菌株的構建已不再遠不成及，但若何完成高產菌株的範圍化生孩子，推進其財產化制造與商包養業化利用，還是一項必需面臨的要害挑釁。
萜類化合物的高效發明
在“第三次性命迷信反動”的海潮中，自然產品作為藥物的主要起源，其挖掘任務正派歷著深入變更。面臨全球性多藥耐藥題目的挑釁和古代藥物開闢的需求，傳統的依靠生物樣天職離提取的方式已難以知足以後需求。跟著盤算才能的晉陞、基因組層面技巧的成長、微生物培育技巧的成熟，以及高通量主動化平臺的樹立，自然產品在藥物先導化合物的摸索中再次遭到器重，并開辟了新的機會。
萜類化合物的高效發明，作為生物學科的要害研討標的目的之一，不只可以或許豐盛自然產品資本，更能增進相干財產的技巧改革和產物進級。今朝，重要經由過程3種方式來發掘萜類化合物：直接從自然起源提取、激活緘默基因（簇）和異源表達。這些方式的綜合利用極年夜地增進了萜類化合物的發明。但是，已判定萜類合酶和萜類化合物依然只是天然界中宏大萜類資本的一小部門。以後研討的核心是若何衝破萜類化合物發掘經過歷程中的“三低”困難——低產量、低構造新奇性和低研討效力，并在此基本上成長出更高效的戰略來停止發掘（圖1）。
高效前體供應底盤供給發掘動力
異源表達是一種經由過程引進外源生物分解基因（簇）到具有成熟遺傳操縱的生物體中，以提醒其效能的方式。這種方式處理了原始宿主不成取得和遺傳操縱艱苦的題目，被普遍利用于萜類化合物的發掘和生物分解道路的解析，并完成了多種明星萜類分子的從頭分解（表1）。選擇異源宿主時需綜合斟酌其發展速率、代謝佈景、遺傳操縱方便性和對目的化合物的耐受性。罕見的宿主包含年夜腸桿菌、酵母、鏈霉菌、絲狀真菌和形式植物煙草等。但是，受限于異源宿主的分解才能，僅能判定豐度高的產品，而豐度低的產品易被疏忽或難以獲取，這限制了對萜類合酶及其后潤飾酶的周全認知。是以，改革異源宿主開闢高效供應萜類前體的底盤菌株，進步產品的豐度包養網比擬和多樣性，對新萜類化合物的發掘具有主要意義。
年夜腸桿菌底盤。年夜腸桿菌因其遺傳操縱簡潔和發展疾速而備受喜愛。應用“定向分解代謝”的概念，基于體外催化的成果領導體內代謝道路的改革，研討職員構建了高產異戊烯焦磷酸（IPP）和烯丙基焦磷酸（DMAPP）的包養網年夜腸桿菌底盤。在此基本上，經由過程組合分歧異戊二烯前體和萜類合酶充足開釋真菌起源萜類合酶FgGS和FgMS的分解潛力，研討職員檢測到50種萜類化合物，判定了包含3種新骨架的8個新化合物。
酵母底盤。酵母作為最易操縱、研討透闢的真菌生物，已被普遍利用于萜類化合物的發掘。應用加強了內源甲羥戊酸（MVA)道路的酵母底盤菌株，研討職員高通量體系發掘了74個真菌嵌合萜類合酶，此中34個具有活性，共發生了24種二萜和二倍半萜化合物，包含2種新的二倍半萜；并在此基本上，進一個步驟推翻性發明了非角鯊烯起源的三萜分解全新道路。該戰略還可以應用到植物的萜類合酶的發掘中，經由過程在高效底盤中表征艾蒿起源的29個萜類合酶，研討職員發明了一個新倍半萜骨架和具有優良驅蟲活性的艾蒿醇（Intermedeol）。
絲狀真菌底盤。絲狀真菌因其內含子對的辨認剪切和卵白排泄才能，是真菌源萜類生物分解基因（簇）異源表達的幻想宿主。在基于微生物高產底盤的自然產品立異發掘戰略的基本上，研討職員進一個步驟提出“一把鑰匙開一把鎖”的研討理念，選用釀造行業中最陳舊、利用最普遍的米曲霉作為近源宿主發掘了5株真菌的所有的萜類分解基因簇，并構建了高效通用底盤，處理了異源表達適配性低和產量低的題目。
鏈霉菌底盤。鏈霉菌可以或許分解品種單一、多少數字宏大的次級代謝產品，不單具有分解自然產品所需求的各類前體，還具有多類型產品耐受性和完美的潤飾體系。鏈霉菌不只可以用于萜類合酶的發掘，還可用于細胞色素P450等后潤飾酶的表征。經由過程刪除高產鏈霉菌中的阿維菌素及萜類等外源代謝物相干基因，簡化遺傳代謝佈景和防止前體競爭，研討職員在異源表達細菌起源緘默萜類合酶時，勝利判定到13個新萜類化合物。
植物底盤。植物是自然藥物的主要起源，具有精緻分隔的細胞構造以支撐膜定位外源酶的效能，同時擁有周全的翻譯后潤飾體系，并具有平安性高、培育本錢高等特色。應用形式植物煙草，研討職員以底物喂養和樹立挑選底盤2種方法判定了紫杉醇分解道路的要害化合物和基因，完成了要害中心體baccatin Ⅲ在煙草中的從頭分解，展現了植物宿主發掘植物起源復雜萜類生物分解基因（簇）方面的上風。
基因組與高通量協同優化發掘戰略
跟著測序技巧的飛速成長，全球基因組數據量激增，海量的基因組數據沉淀在internet，亟待研討職員的發掘，這使得基因組深度發掘逐步成為摸索性命奧妙的一把鑰匙。它可以或許直接從基因組數據中發掘潛伏的生物分解基因簇（BGC），以其奇特的視角透視生物體內涵的遺傳信息，提醒微生物和植物中未被充足應用的化學多樣性，擴大自然產品高效發明的深度。
但是，自然產品的高效發明并非易事，它依靠于速率與效力的雙重晉陞。生物信息學的剖析固然供給了海量的信息，但此中不乏冗余，需求大批的試驗驗證往來來往偽存真。今朝，數十萬個剖析回檔的BGC中，僅不到0.25%停止過試驗表征和產品斷定，這一近況無疑制約了自然產品發明的程序。
為了打破這一瓶頸，主動化高通量技巧應運而生。它經由過程海量的工程化試錯試驗，代替傳統的休息密集型研討范式，可以或許疾速、低本錢、多輪迴地完成“design—構建—測試—進修”的閉環，成為自然產品的主動化高效發掘和高效構建高附加值化合物細胞工場的處理計劃。今朝，國際外多家企業及科研院校均已建成高通量挑選平臺，完成了主動化基因編纂、菌株構建和高通量菌株挑選包養等效能，進步了自然產品發掘的效力。
應用基于米曲霉底盤的高通量平臺，研討職員體系性發掘了5株絲狀真菌中的萜類BGC，完成了從質粒構建、基因簇重構到活性挑選的全流程主動化試驗，將39個萜類BGC自下而上重構至208個漸變株中，檢測到185個萜類產品，將試驗周期延長至29天，在活性挑選階段發明了具有明顯抗炎活性的二倍半萜Mangicol J并提醒了其生物分解機制。在靈芝酸研討中，研討團隊應用釀酒酵母高通量基因編纂平臺，一次性構建了158個能夠的細胞色素P450過表達質粒庫，經3輪迭代菌株構建，發掘到2種可以或許將Ⅰ型靈芝酸轉化為Ⅱ型靈芝酸的P450，勝利解析了靈芝酸生物分解道路中要害酶。該立異性萜類發掘戰略聯合基因組發掘、高效底盤和高通量平臺，不只衝破了傳統發掘方式通量低的限制，更為自然產品的發明與應用開辟了新的途徑。
人工智能改革發掘方法
古代迷信研討中，人工智能（AI）以其出色的數據處置才能和形式辨認技巧，為自然產品的發明與研討帶來反動性的衝破。機械進修與深度進修的疾速成長，不只使研討職員可以或許高效地處置息爭析海量的化學、生物學和藥理學數據，還可以或許準確猜測化合物的生物活性及潛伏毒性。這一技巧改革籠罩了從基因組和代謝組發掘、構造表征到靶點和生物活性猜測等多個要害環節，引領著自然產品研討向更深條理的迷信摸索邁進。
在基因組發掘範疇，猜測BGC是發明復雜次級代謝產品微生物的要害步調。傳統的BGC猜測算法，如CLUSEAN、SMURF和antiSMASH等，可以或許在必定水平上辨認與已知生物分解道路高度類似的區域，但在面臨未知的全新基因簇時力有未逮。比擬之下，機械進修算法在此類義務中有明顯上風。例如，Moore等整合了主動化機械進修框架AutoGluon-Tabular包養網和來自擬南芥的多組學數據，以猜測介入植物次生代謝物如萜類、生物堿和酚類的BGC，判定了擬南芥中1220個此前效能未知的基因。又如，Liu等應用antiSMASH和DeepBGC同時剖析馬鈴薯致病菌瘡痂鏈霉菌的基因組，后者猜測到額定的112個BGC，展現了人工智能在新型基因簇辨認方面出色的機能。
除了BGC猜測外，卵白質效能猜測也是自然產品發明的主要一環。在這一範疇，AlphaFold作為一款深度進修軟件，勝利模仿了氨基酸之間的復雜彼此感化，并正確猜測卵白質的終極折疊形狀。AlphaFold到AlphaFold3的迭代更換新的資料，不只晉陞了猜測的精度和效力，也為靶點醫治、新藥研發，以及分解生物學等範疇供給了主要的東西支撐。值得一提的是，AlphaFold在卵白質效能猜測方面的利用，為萜類合酶的猜測構造供給了高精度的疾速處理計劃。研討職員可以借此技巧，領導停止卵白質效能猜測，從海量的卵白數據庫中敏捷挑選出具有宏大潛力的候選卵白，為后續的濕試驗供給無力的領導，從而發掘出全新的同類萜類合酶。
新自然產品功能和靶點不明，且活性試驗耗時冗長，障礙了新藥研發的過程，AI助力的自然產品高通量挑選可打破這一局勢。一方面，AI經由過程整合和進修化合物構造與毒性、活性之間的聯繫關係，經由過程辨認類似藥效團猜測新化合物理化性質和生物活性。另一方面，經由過程AI算法可以從多層面多角度年夜範圍猜測自然產品與潛伏靶點間的彼此感化，加快苗頭化合物的發明，增進萜類化合物高效發明走向新藥研發的過程。機械進修技巧，如支撐向量機（SVM）、隨機叢林（RF）、貝葉斯等算法已被勝利利用于藥物發明階段的化合物挑選環節，輔助改良藥物活性、預防藥物反作用，并發明新靶點。
盡管AI在藥物研發範疇，尤其是先導化合物的發明和優化上獲得了大批停頓，但在萜類化合物範疇，今朝勝利利用案例尚少。在將來的研討中，AI無望從萜類化合物中發掘出更多的新藥候選物，為人類的安康工作進獻氣力。
萜類化合物的財產化制造
在萜類化合物的財產化制造範疇，傳統方式如化學分解、植物提取及自然含目的化合物的微生物發酵，雖各有其利用，卻均面對明顯局限。化學分解雖能完成大批生孩子，但步調繁瑣、能耗高且隨同無害副產物，對周遭的狀況維護和可連續成長組成挑釁。植物提取受限于發展周期、地區分布及含量無限，難以知足年夜範圍生孩子需求。自然微生物發酵則因產量低、提取本錢高而利用受限。
跟著分解生物學技巧的蓬勃成長，萜類化合物的財產化制造迎來了反動性成長。迷信家經由過程奇妙design并改革細胞工場，勝利將可連續的生物資能轉化為具有復雜化學構造和強效活性的特定萜類化合物，不只補充了傳統制造方式的短板，更開辟出一條綠色、可連續且高效的財產化新途徑。
分解生物學助力萜類化合物生物制造
在萜類化合物生物制造財產化過程中，萜類化合物細胞工場的產物獲取途徑涵蓋菌株構建、生孩子縮小、分別純化三年夜要害環節（圖2）。這一經過歷程的實質在于，要確保細胞工場具有超凡的生孩子速度，力圖到達甚至超出植物提取、化學分解等傳統工藝的水準。盡管兩相發酵以停止原位萃取的戰略可以明顯進步小分子萜類的生孩子程度，但為了比擬不難地純化到終極產物，萜類化合物的生孩子滴度至多需到達克級每升的程度（表2），這無疑對萜類化合物的財產化提出了嚴苛的請求。針對萜類化合物的生孩子速度這一焦點瓶頸，迷信家們開闢出一系列立異戰略。
生物分解宿主的選擇。跟著CRISPR 基因編纂技巧的精進和全基因組序列信息的豐盛，研討職員采用體系生物學方式對微生物制造工場停止改進和立異，以完成萜類的高效分解。此中，年夜腸桿菌、釀酒酵母作為研討最為深刻、代謝佈景最為清楚的形式菌株，已完成多種萜類的高產。特殊是釀酒酵母，憑仗其表達高級真核生物基因的才能、單細胞構成的便捷操縱性，以及試驗室順應性退化付與的可控性漸變，成為萜類化合物生物制造的主力軍。
生物分解道路的重建。釀酒酵母中萜類化合物的分解以本身自然存在的MVA道路為焦點，分辨向下游的乙酰輔酶A供應和下流萜烯單體DMAPP/IPP應用停止延長。經由過程加強全部MVA道路，全局代謝收集調控增添或許多元化乙酰輔酶A的供應，克制旁路的競爭代謝道路使更多的萜烯單體流向終極產品，均衡調控分解道路中的輔因子和能量供應等戰略，研討職員完成了諸多萜類化合物的高產。
生物分解酶的工程改革。萜類分解道路下流的潤飾酶是萜類構造復雜多樣的要害。在原生生物體內，這些酶不只催化特定反映，且全部道路遭到復雜的機制調控，使其直接停止異源表達時，會形成生物分解步調效能解耦，以及分解不良副產品等風險。經由過程酶工程完成感性design，可以極為有用地進步酶的表達程度、催化效力和反映特異性。與此同時，可鑒戒其他分解道路中的多酶級聯自組裝戰略，完成高低游道路的強耦合，以及處理底物傳遞和代謝流不穩固等題目。
生物分解的靶向定位。萜類化合物構造的多樣性極易激發細胞毒性，限制單萜的產量晉陞；并且，跟著碳鏈延伸形成的親脂性的加強，三萜和四萜趨勢于在特定亞細胞區室中積聚。經由過程將全部生物分解道路定位到亞細胞器（線粒體、過氧化物酶體等），可以或許完成對中心毒性產品的區室化隔離，并對亞細胞器中豐盛的乙酰輔酶A加以應用。此外，脂滴工程貯存毒性疏水性萜類前體，內質網工程進步卵白質的折疊分解和包容空間，對代謝道路的精準調控都展示了極年夜的利用潛力。
分解生物學推動萜類化合物財產化
在這些戰略的加持下，萜類化合物細胞工場的建造變得觸手可及，但仍需面對一個要害題目：若何從浩繁經由過程高效發明手腕挑選出的萜類化合物中，遴選出既具有遼闊市場遠景，又能彰顯生物制形成本上風，從而帶來明顯經濟效益的種類？面臨這一挑釁，既要著眼于試驗室內的技巧改革，更要深刻分析市場走向與經濟可行性。
一種卓有成效的戰略是，聚焦那些市場需求明白的萜類化合物，經由過程優化菌株和生孩子工藝，完成產量的最年夜化。對于大批化合物而言，生物制造的單萜在經濟效益上或許難以與現有的傳統成熟工藝相媲美。但是，在更為復雜的十五碳及以上的萜類化合物範疇，生物制造卻展示出令人驚喜的成效（表2）。從倍半萜中的用于噴鼻精噴鼻料範疇的β-法尼烯、具有抗炎舒緩活性的(–)-α-紅沒藥醇，到二萜中龍涎噴鼻醚重要分解前體的二萜噴鼻紫蘇醇，再到三萜中生物全分解打針級疫苗佐劑角鯊烯、具有多種藥物特徵的罕見人參皂苷，以及四萜中的類胡蘿卜（如番茄紅素、β-胡蘿卜素、蝦青素）等，浩繁萜類化合物已勝利買通了從試驗室design到貿易化生孩子的全鏈條。
表2 分解生物學助力萜類化合物的財產化過程
另一種富有前瞻性的戰略是，經由過程生物制造知足特定市場需求的全新化合物。在生物制造航空燃料的摸索中，研討職員應用細胞工場疾速分解了17個顛末實際盤算挑選過的倍半萜化合物，并對這些高能液體燃料候選剖析停止了體系性的高效評價。這種將細胞工場與高效發明戰略相聯合的方式，為拓展到其他細分範疇供給了無窮能夠。
分解生物學與化學分解的深度融會
盡管分解生物學在萜類化合物生物分解方面獲得了明顯停頓，但仍有部門高活性的植物源萜類化合物（如紫杉醇）的生物分解道路難以發掘，這在必定水平上制約了其財產化過程。但是，跟著對生物分解和化學分解熟悉的不竭加深，迷信家們首創性地提出告終合兩者上風的新戰略。
這一戰略應用現有的自然產品相似物和最低限制的化學催化，來分解特定的自然產品，有用處理了從復雜自然產品中經濟地生孩子候選藥物的困難。美國Amyris公司在釀酒酵母中高產青蒿素前體青蒿酸的實行，就是這一戰略的勝利典范。遺憾的是，由于市場需求變更等內部原因，Amyris公司的貿易化過程遭受波折，但這一思緒無疑為萜類化合物的財產化開辟了全新途徑。
在此基本上，迷信家們進一個步驟拓展了那些只逗留在高產階段，而無法進進財產化階段的化合物的全新應用，完成了其高附加值晉陞。具有明顯抗腎癌活性的Englerin A的大批生孩子困難，經由過程微生物分解的愈創木酚-6,10(14)-二烯作為要害前體完成化學半分解獲得處理。具有葡萄柚噴鼻味的高附加值產物圓柚酮，應用在釀酒酵母體內高產的倍半萜化合物瓦倫烯一個步驟化學分解，完成了財產化的新道路。此外，還能應用相似于化學分解式發散摸索的新戰略，以生物制造的噴鼻葉基噴鼻葉醇為動身底物，經由過程化學分解創制抗潰瘍藥物替普瑞酮、骨質疏松癥醫治藥物Menaquinone-4，以及養分品α-生養三烯酚的全新分解道路。
分解生物學在化學半分解範疇的利用，不只完成了復雜自然產品的創制，更能對傳統產業生孩子形式發生推翻性影響。以維生素E為例，其化學構造中包括萜類構造單位，傳統上依靠化學法分解。而此刻經由過程微生物發酵分解的法尼烯作為前體，化學分解取得維生素E的要害中心體異植物醇，并終極分解維生素E。這一立異性技巧的衝破，打破了國外持久壟斷的化學全分解技巧，標志著分解生物學在自然產品分解範疇的嚴重停頓。
細胞工場範圍化縮小的妨礙
在萜類化合物的高效發明與財產化制造範疇，下游菌株構建技巧已完成了豐盛的技巧儲蓄，并獲得了明顯停頓。但是，鄙人游環節，特殊是範圍化生孩子與分別純化方面，仍面對嚴重挑釁，成為制約財產成長的瓶頸（圖2）。
範圍化縮小的窘境。從試驗室的搖瓶發酵（僅50 mL）到工場範圍的噸級生孩子，萜類化合物的財產化之路存在大批挑釁。這一經過歷程中，需求順次經過的事況試驗室小試（約5 L）、中試（接近產業化生孩子的500 L）等多個環節，直至終極的範圍化縮小。這些環節中，需求順次探索最佳的培育基、溫度、pH值、溶氧把持、乙醇積聚、補料戰略等前提，以確保工藝在縮小經過歷程中的穩固性和可重復性。但是，發酵罐的及時監測和調控義務沉重且高度依靠任務職員經歷。在此佈景下，人工智能技巧的引進可以或許加快確認調控操縱與菌株代謝特徵之間的復雜關系，推動產品分解，從而在範圍化縮小經過歷程中堅持產量和東西的品質分歧性。
分別純化的困難。固然參加無機相停止兩相發酵可明顯進步產量，但易在發酵經過歷程中構成穩固的乳化景象，使無機相和水相分別艱苦，形成總產量的喪失，以及精制艱苦。開闢與發酵經過歷程集成的在線油分別技巧，從而答應如細胞重復應用等戰略或許能成為破乳的要害。完成破乳后，還需停止純化。以後，產業上廣泛采用高能耗的精餾塔停止分別，但該技巧依靠年夜型裝備，與試驗室範圍脫節。是以，加大力度科研機構與企業之間的合作無懈，深化產學研融會，成為推進技巧立異與財產進級的必定選擇。同時，摸索更多高效分別戰略也顯得尤為主要，如超臨界流體萃取技巧的開闢及新型固相萃取試劑的研討等，這些新技巧和新方式都無望為萜類化合物的分別純化供給全新的處理計劃。
結語
跟著分解生物學技巧的一日千里，萜類化合物這一天然界中極具潛力的化學寶躲，其高效發明與財產化制造正步進一個極新的成長階段。在發明方面，立異戰略，如高效前體供應底盤開闢、基因組與高通量技巧協同優化及人工智能利用，加快了萜類化合物的挑選優化，為財產化打下堅實基本。在制造方面，盡管高效細胞工場的構建已不再成為制約財產成長的瓶頸，但在產品的選擇、範圍化縮小、分別提純等方面，仍面對諸多挑釁。若何進一個步驟優化生孩子工藝，進步產品純度與產量，下降本錢，是以後亟待處理的題目。
但是，在萜類化合物財產化制造疾速成長的同時，也必需甦醒地熟悉到，今朝萜類化合物的研討更集中于學術界，浩繁萜烯的現實利用價值未獲得施展，是以推動其財產化至關主要。為此需求采取一系列辦法，以推進學術完成財產轉化。激勵以市場為導向的利用型科研，樹立科研院所與企業的持久一起配合關系，調劑研討標的目的以知足市場需求，完成資本共享與上風互補。引進跨學科教導形式，培育既懂科研又懂市場的復合型人才，增進產學研融會，打消科研與市場間的信息妨礙。供給技巧和資金支撐，制訂利于結果轉化的政策，規范行業成長。經由過程技巧交通會、展覽、論壇及古代媒體，加年夜結果推行力度，晉陞大眾認知和市場承認度。
與此同時，對企業而言，萜類化合物的財產化過程仍面對法令律例不完美、常識產權維護缺乏等挑釁。加速政策改革，推進完美生物制造產物的法令律例，精簡商品化審批流程，以增進財產的疾速成長，進步企業的立異積極性。進一個步驟強化常識產權維護系統，加年夜對技巧模擬與侵權行動的衝擊力度，維護立異者的符合法規權益，為立異者營建公正、公平的競爭周遭的狀況。
瞻望將來，分解生物學技巧將連續推進萜類化合物財產化制造邁向更遼闊的遠景。經由過程連續的立異衝破，將進一個步驟下降本錢、進步產量與純度，知足市場需求，推進財產進級。等待看到更多勝利案例的涌現，為生物經濟注進新活氣，引領科技新時期。
（作者：池豪銘、鄂麗影，武漢年夜學藥學院；劉天罡，武漢年夜學藥學院 上海路況年夜先生命迷信技巧學院。《中國迷信院院刊》供稿）