从上古时代的神农尝百草，明代李时珍的《本草纲目》记载 1200 多种植物类药，再到现在全球已发现近 60000 种药用植物，其中约 28000 种具有明确记载的用途，3000 种已用于交易...天然植物的药用价值正在被不断深入挖掘。源于天然植物的活性分子如果要真正实现商业化，规模化量产是一个重要前提。然而，目前植物天然产物的主要生产方式是植物种植、萃取和纯化，这种方式提取的活性成分含量较低，通常只有万分之几，产业化比较受限。利用合成生物学方法创建细胞工厂发酵合成这类天然产物是一种高效、绿色、安全的新手段，越来越多的科研机构和公司纷纷参与其中。MIT 生物系副教授、白头生物医学研究所研究员翁经科博士就是其中之一。翁经科实验室的主要从事植物代谢进化的研究，包括植物天然产物代谢路径的解析、蛋白质错误折叠与进化的关系、酶的定向进化、药用天然产物生物活性机理、及用代谢工程手段开发高效合成高价值天然产物的方法等等。现今对植物天然产物的研究方向大体可以分为两大类：一是基于植物生物学的基础研究，二是以应用为导向的工业转化及产品研发。前者聚焦未知化合物的发现、代谢路径解析及其生物功能的研究，后者更关注利用生物工程的全新方式生产市场所需的天然产物。2017 年，翁经科成立合成生物学公司 DoubleRainbow Biosciences，推进实验室研究的转化落地工作，着手开发基于植物天然产物的新一代药品。“植物的代谢系统是一个远未被人类认知及开发的宝库，其商业化前景非常可观，不过我们现在的关注点是在健康领域的应用。” 翁经科说。图丨MIT 生物系副教授、白头生物医学研究所研究员翁经科（受访者提供）近日，生辉采访了翁经科教授，畅谈他在白头生物医学研究所的研究经历及在其创办 DoubleRainbow Biosciences 进行技术转化的心得。
“植物代谢进化是巨大且未被完全开发的科学宝藏”
人类对自然界未知系统的探索往往是从简单到复杂，从原核生物再到真核生物。20 世纪前半叶，科学家们发现了微生物中含有抑制其他微生物生长的成分，从而掀起了微生物天然产物研发的热潮。其中最具代表性的研究是青霉素、红霉素等抗生素的发现。这些抗生素的发现，大幅度降低了由于细菌或真菌感染引起的各种疾病的死亡率，极大地推动了现代医学的发展。在天然产物生物化学研究领域，“微生物的基因组比较小，合成微生物源天然产物的基因往往以基因簇形式存在，通过基因组测序方法通常就能够直接找到合成特异微生物源天然产物的生化途径及编码基因。但是植物和动物等真核生物基因组非常复杂，且参与某一特异生物功能所需的基因分散在基因组的不同位置，难以直接通过基因组测序来找到天然产物生化合成过程中所需的基因。” 翁经科说。“对于真核生物而言，基因组测序结果并不能直接提供足够的信息来解析天然产物的合成途径。因此，我们实验室近些年来一直在不断开发、利用、完善各种多组学技术以用于研究非模式植物中未知天然产物的代谢通路。” 他继续补充说。与微生物相比，植物源天然产物合成途径更为复杂，但几亿年以来植物日渐形成了一种非常独特的生存和进化方式。全球有超过四十多万种的植物，每种植物都能够产生独特的化合物，它就像是一个 “天生的化学家”。“现今我们人类利用现代生物学手段研究过的植物物种屈指可数，所以整体上来说植物界的代谢进化系统是一个巨大且还未被完全开发的科学宝藏，其中蕴藏着很多植物与动物、微生物互作及共同进化的秘密。” 翁经科指出。许多植物天然产物具有特异的生物活性和理化性质，并已被广泛应用于医药健康、农业生产、工业生产等领域。据了解，目前年销售额超过 400 亿美元的激素类药物的基础原料来源于薯蓣皂素、番麻皂素和剑麻皂素等植物皂素；人参皂苷、番茄红素、花青素等高值植物天然产物是当前保健品、调味剂及化妆品的主要原料。“源于植物的天然产物种类繁多，功能各异，其产业运用也非常广泛。现阶段我们的兴趣主要集中在药用植物上。我们希望能够确认其中的活性分子，解析它们的生化合成途径，并开发它们在医药领域的应用。” 翁经科说。要实现植物天然产物的生化合成，首先需要解析植物自身的代谢物途径；然后通过合成生物学、基因工程的手段将目标分子的生化途径在底盘细胞中重建，最终利用可持续发展的生产方式来实现植物天然产物的工业化生产。“除了复制天然小分子外，通过我们对植物本身代谢系统的认知，我们最终可以实现用生物合成的方式取代现有的基于化学合成的化工产业。”
已阐明多条植物代谢进化途径
生辉了解到，翁经科实验室已经解析出多个植物药用天然产物的代谢途径，包括红景天苷、卡瓦内酯以及枸杞素。红景天苷是翁经科实验室早期研究的一种药用植物分子，对多种临床适应症有潜在的疗效。红景天苷是一种由酪醇和葡萄糖形成的葡萄糖苷，存在于红景天植物中。红景天通常生长在多山高寒环境中、资源匮乏、不易种植、药用组分含量低，其根部可入药。“我们通过文献以及基础研究发现红景天苷对代谢性疾病具有广泛的应用前景，比如说单体有很强的降血糖功能，在糖尿病动物模型中对脏器具有保护作用，能够缓解高原反应，增强学习记忆能力等等。” 翁经科说。在此背景下，翁经科实验室进行了红景天苷代谢通路的研究，并于 2018 年发表研究成果并申请了专利。据翁经科透露，这项研究成果已经在 DoubleRainbow Biosciences 进行转化，并推进至工业生产阶段。在不久的将来，公司期望将红景天苷作为治疗糖尿病的新药推向市场。 卡瓦内酯是翁经科实验室解析的另一类药用植物天然产物。这类分子来源于卡瓦胡椒。卡瓦胡椒为胡椒科药用植物，原产地为南太平洋诸岛，根和根茎可入药。卡瓦胡椒由于其独特的非致瘾安神作用，在美国保健品市场受到广泛的欢迎。近年来，一些美国职业橄榄球联盟的运动员开始服用卡瓦胡椒保健品，以缓解高节奏训练、比赛的压力和伤痛。现代社会高压、高节奏的生活方式导致大量人群失眠、抑郁、焦虑，而现有的神经类药物有限，无法满足此类人群的需求。卡瓦内酯类分子具有独特的安神功能，其安全性、有效性已经在保健品市场得以一定程度上的证明，因而有潜力成为治疗失眠、抑郁等精神类疾病的新药。翁经科实验室运用多组学及比较生物学的手段，在卡瓦胡椒中找到了各类卡瓦内酯的代谢网络，并利用基因工程手段在酵母和大肠杆菌中合成各类卡瓦内酯分子。“我们在研究中发现卡瓦内酯是一种双受体调节剂，既是人体 GABAA 受体调节剂，同时又是大麻素 CB1 受体调节剂。这类分子既可以调节焦虑睡眠，也可以调节人体代谢和心情。我们正在继续研发这类分子成药性，争取将该分子尽早推进临床研究中。”GABAA 受体：
一种中枢神经系统中主要的抑制性神经递质受体，与焦虑，紧张，抑郁等情绪变化有关系；
CB1 受体：
在中枢神经系统中高度表达，它是治疗焦虑、疼痛和神经变性等疾病的潜在靶点。
此外，翁经科实验室还解析了枸杞素的生化合成机理。枸杞素富集在枸杞树的根部，是一种多肽。有研究表明，枸杞素具有抑制血管紧张素转换酶的功效，从而能够降低血压。“枸杞素独特的支链多肽结构提高了这类分子在体内的稳定性，而且这类分子的化学结构可以通过改变它们的编码基因而自由变换，从而具有广泛的药物研发潜力。” 翁经科指出。除了上述三种植物代谢路径以外，翁经科实验室还解析了植物中合成水杨酸（Salicylic acid，SA）的生化代谢途径。水杨酸是植物中抵御外来微生物病原体入侵的重要信号传导激素，众所周知的阿斯匹林就是水杨酸的衍生物。这项研究指出了植物中水杨酸生物合成途径中缺失的关键成分，破解了困扰科学家们半个世纪以来在植物中水杨酸生物合成途径的难题，完善了其生物合成途径。同时也为作物抗病育种提供了新思路。 2019 年，这项研究成果发表在 Molecular Plant 期刊上。该项成果发表后，翁经科实验室继续进行对水杨酸生化合成机理的研究，最新研究成果近日发表在预印本平台 bioRxiv 上。此文阐述了拟南芥中水杨酸生化合成途径最后一步酶 EPS1 的结构和催化机理。“EPS1 是一种特异性的酶，只存在于十字花科植物中。我们日常生活中很多蔬菜都是十字花科的， 比如说芥菜、卷心菜、白菜、西花兰等。下一个研究方向偏向于应用，我们会将该基因转移到其他豆科、玉米、西红柿等作物中，看是否可以增强这些作物的抗病能力。” 翁经科补充道。翁经科实验室的另一个研究领域是植物蛋白质折叠与进化的关系。他们提出一种假说 —— 植物很有可能具有一种独特的分子机制，可以帮助不稳定的蛋白质折叠并保留其催化能力。这些研究还处于假说提出和早期验证阶段，但是研究成果很有可能对蛋白质错折叠疾病（比如说阿尔斯海默症和帕金森病）的机理和治疗，具有指导意义。” 翁经科说。
锁定生物制药产业下一个飞跃方向
“将实验室的科研成果转化为生产力是 MIT 的一个传统。” 今年是翁经科成立实验室开展科研工作的第八个年头，从事多年研究工作之后，他希望可以走出象牙塔，把知识转化为生产力。2016 年，机缘巧合之下，他与当时还是耶鲁大学全职教授的的许田教授（注：许田教授于 2018 年 4 月全职加入西湖大学，现担任遗传学讲席教授兼副校长）相识。“我一直从事植物代谢生物学，许教授在利用 AI 开发针对多种疾病的药物方面经验丰富，我们觉得可以把各自的专长相结合，利用合成生物学的全新手段，发掘植物天然产物的活性分子，以应用于药物开发。”经过一年的筹备，两人于 2017 年联合创办了 DoubleRainbow Biosciences。该公司作为一家新药研发公司，现有 PRISMTM 和 HARMONYTM 两大技术平台。根据公开资料，该公司共累计完成了两轮融资，金额约为 2500 万美元。PRISMTM 平台利用全新酶催化手段，合成及改造药物分子以提高成药性、拓展功能性。HARMONYTM 平台则利用合成生物学手段规模化生产植物源天然产物分子及衍生物进行药物研发。“纵观现代药物发展史，革命性的平台技术成为推动药物发展的原动力，包括重组 DNA 技术大幅度推进了蛋白类药物的研发、各类 RNA 分子为主导的技术平台最终促生了 RNA 新冠疫苗。我们发现糖类化合物与人体的互作机理非常丰富并尚未被完全认知，这提供了药物研发的巨大的创新空间。我们认为这个方向有可能成为下一个推动制药行业飞跃的研究方向。” 翁经科说。因此 PRISMTM 平台以开发糖基化药物为重心。小分子药物的水溶性、生物可利用性及其毒性通常是成药的瓶颈。通过糖基化，水溶性得以提高，那么有可能提高生物可利用性并降低毒性。难以穿越血脑屏障（BBB）是脑部疾病以及中枢神经系统疾病治疗的主要障碍。“药物进入脑部需要通过特异性的糖转运蛋白，我们发现对一些小分子药物进行糖基化修饰，这些糖转运蛋白可以把之前无法进入脑部的药物分子带入脑部，从而治疗脑部疾病。因此，穿越 BBB 也是该平台的有一个重点方向。”现有蛋白类药物的生产过程中无法很好地控制蛋白表面的糖基的种类、数量与位点，对产品的均一性、有效性和专利保护均存在风险。糖基化修饰技术在蛋白类药物创新与生产中均可以有很多应用。比如说，可以在单抗、多肽类药物表面定点修饰定量特异性糖类，提高其稳定性及生物活性。
最新研究表明，癌症细胞表面通常比正常细胞有更多的糖基修饰，这些糖基基团可以与一些免疫细胞表面的受体蛋白结合，从而抑制免疫细胞对癌症细胞的杀伤力。
“现有 PD-1、CTLA-4 等抗体药的抗肿瘤效果在某些情况下不明显很可能是该原因造成的。通过阻碍癌细胞表面的糖基化过程或阻碍癌细胞表面的糖基与 PD-1、CTLA-4 受体的结合，新型糖基化分子将在免疫调控和癌症免疫治疗中具有广泛的前景。”翁经科说。
HARMONYTM 平台在解析天然产物生物合成途径的基础上，利用合成生物学手段，实现工业化生产天然产物及其衍生物来进行药物研发。“随着环境和能源产业的变化，当前无论是药物分子原料植物的生长，还是传统化工产业提供药物原料或多或少可能会经历短缺，而基于合成生物学技术的药物平台可以持续性发展，成为未来制药的希望与方向。”这两大平台所产生的分子均会相继进入临床前、临床研究中，以此开发出新药物。“我们预计明年能够把第一款或者多款产品管线推进到临床试验中。” 翁经科补充道。随着管线的推进，DoubleRainbow Biosciences 的融资计划也会相继提上日程，该公司将于近期开启 C 轮融资。“合成生物学归根结底是一种手段，对于整个行业而言，关键是能够利用这些手段真正生产出对社会有价值的产品。我们选择的方向是用绿色工业可持续性地开发各种创新类药物，来提高人类健康水平。”
https://wi.mit.edu/news/making-green-drugs-tapping-nature-without-tapping-it-out
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(17)30377-5?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1674205217303775%3Fshowall%3Dtrue
https://www.nature.com/articles/s41477-019-0474-0
https://www.pnas.org/content/115/46/E10961.long
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30369-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1674205219303697%3Fshowall%3Dtrue
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.08.21.457228v1
https://www.doublerainbowbio.com/
