成都中医药大学黎胜红/刘燕团队综述丨植物源抗癌药物紫杉醇可持续性生产的合成生物学路线图

生命科学Life science紫杉醇作为从红豆杉中提取的广谱抗癌药物因其在乳腺癌、卵巢癌等治疗中的不可替代性全球市场需求持续增长。然而传统生产方式依赖天然红豆杉资源提取效率极低导致资源枯竭与生态压力。尽管已有植物细胞培养、化学半合成等方法但其可持续性、成本与规模化仍面临严峻挑战。在此背景下近日成都中医药大学药用植物活性天然产物发现与生物合成团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology发表了题为“A synthetic biology roadmap for sustainable production of the plant-originated anti-cancer drug paclitaxel”综述性文章系统总结了紫杉醇生物合成领域最新的研究进展提出了基于合成生物学技术的紫杉醇“从头合成”技术框架图为破解这一明星抗癌药物的资源瓶颈与可持续生产难题提供了前瞻性解决方案。成都中医药大学引进人才谭春林副教授为第一作者黎胜红研究员和刘燕教授为共同通讯作者。有兴趣在Trends in Biotechnology发表您的综述或科研论文请扫描提交论文提案 (presubmission form)。抗癌明星药物的“资源困境”需求与供给的尖锐矛盾紫杉醇Paclitaxel商品名Taxol®是来源于红豆杉属Taxus植物树皮的天然二萜类药物因其独特的6/8/6元碳环骨架及复杂氧化修饰结构在乳腺癌、卵巢癌、黑色素瘤等恶性肿瘤的临床治疗中占据不可替代的地位。自21世纪以来紫杉醇持续稳居全球畅销抗癌药物榜单峰值市场规模达20亿美元临床需求持续增长。然而紫杉醇在红豆杉树皮中的天然丰度极低仅为干重的0.001%–0.050%传统生产模式高度依赖野生红豆杉资源砍伐提取关键中间体巴卡亭III再通过化学半合成导致该濒危物种濒临枯竭、生态破坏严重同时又因工艺复杂造成生产成本居高不下。因此开发不依赖植物资源的规模化生物制造新路径已成为该领域亟待突破的关键挑战。图1植物源抗癌药物紫杉醇的生产策略示意图合成生物学的“破局之路”解析复杂途径突破核心瓶颈紫杉醇的生物合成途径极为复杂——涉及约19步酶促反应其中近半数关键氧化步骤由细胞色素P450酶催化。该途径主要分为三个阶段紫杉烷骨架的形成、巴卡亭III的合成、及侧链的连接与修饰。紫杉醇生物合成起始于二萜前体香叶基香叶基焦磷酸酯GGPP紫杉二烯合酶TXS催化GGPP环化形成紫杉二烯约95%和少量异紫杉二烯。随后紫杉二烯-5α-羟化酶T5αH即CYP725A4催化第一步羟基化反应该反应是途径关键限速步骤且易产生非目标副产物。氧杂环丁烷环作为紫杉醇的关键药效团其合成机制的解析是近年研究的重大突破。一是发现新型α-酮戊二酸/Fe(II)依赖性双加氧酶参与氧杂环丁烷环形成即C4β-C20环氧化酶二是发现CYP725A4具有多功能氧化活性双功能P450酶TOT1参与氧杂环丁烷环合成。从紫杉二烯到巴卡亭III的转化涉及多重羟基化、酰基化与氧化修饰T5αH完成C5位羟基化后经TAT催化乙酰化后续由T10βH、T13αH等酶在C1、C2、C7、C9、C13位进行分步修饰最终生成10-去乙酰巴卡亭III10-DAB再经DBAT乙酰化生成巴卡亭 III。该代谢途径存在多个分支P450酶的催化顺序尚未完全清晰导致代谢流分散。紫杉醇C13侧链的合成涉及α-苯丙氨酸异构化为β-苯丙氨酸由PAM催化并活化为CoA酯。BAPT 催化侧链与巴卡亭III连接最终经T2αH羟基化和DBTNBT苯甲酰化完成紫杉醇全生物合成。图2紫杉醇推断的生物合成途径示意图合成生物学策略重构、整合与优化紫杉醇的生物合成途径重构堪称天然产物合成生物学领域的“技术高地”涉及19步连续酶促反应其中40%以上的关键氧化修饰由细胞色素P450酶介导。尽管目前在大肠杆菌、酵母等宿主中实现了途径的部分重构但植物源P450酶在异源宿主中表达存在“三大核心瓶颈”一是功能性表达效率低缺乏真核生物的膜环境与翻译后修饰系统二是催化特异性差产物杂泛性高易产生过度氧化副产物如OCT、iso-OCT导致代谢流向目标产物的通量严重分流三是膜整合与辅因子适配不足难以形成高效催化体系严重制约了途径重构效率关键中间体产量远未达到工业化阈值紫杉醇高效异源从头合成仍未实现。针对上述瓶颈研究团队基于近年合成生物学前沿进展提出“底盘革新策略协同”的系统性解决方案构建了多维度技术矩阵1. 底盘革新拓展非经典宿主的适配潜力传统异源宿主如大肠杆菌难以满足植物源P450酶的功能需求团队提出采用丝状真菌、枯草芽孢杆菌、蓝细菌等非经典底盘利用其特化生理特性突破限制。丝状真菌具备完整的内质网结构与真核翻译后修饰系统可显著提升P450酶的功能性表达效率枯草芽孢杆菌作为GRAS认证菌株具有强大的蛋白分泌能力与环境耐受性适合工业化放大。蓝细菌作为光合自养生物可直接利用CO2合成前体GGPP实现碳负排放生产其类囊体膜系统还能为P450酶提供天然适配环境。2. 策略协同构建全链条高效合成体系前体供应优化突破传统MVA/MEP途径的代谢竞争限制引入异戊烯醇利用途径IUP通过外源异戊烯醇定向生成IPP/DMAPP与宿主中央碳代谢解耦避免生长与合成的资源竞争目前已在酿酒酵母中实现前体产量大幅提升。限速酶工程改造针对TXS与T5αH两大限速酶通过结构引导的定点突变可降低副产物生成结合N端修饰、CPR伴侣优化等策略可显著提升大肠杆菌中氧化紫杉烷产量。合成微生物群落协作构建“大肠杆菌-酿酒酵母”共培养系统实现代谢分工。大肠杆菌高效合成紫杉二烯前体酵母负责P450介导的氧化修饰既减轻单菌株代谢负担又充分发挥原核宿主的通量优势与真核宿主的P450适配能力提高氧化紫杉烷产量。无细胞与化学酶法杂交整合无细胞蛋白合成CFPS与化学催化技术规避细胞内毒性中间体积累与代谢竞争成功绕过T5αH催化瓶颈可提高紫杉二烯-5α-乙酰酯等核心前体产量为关键中间体的高效制备提供了新方案。图 3紫杉烷生物合成的多样化合成生物学策略示意图AI 驱动实现精准设计与优化机器学习技术为紫杉醇合成途径优化提供了新工具通过EVOLVEpro平台结合蛋白质语言模型可快速预测P450酶突变热点在有限实验数据下实现催化活性与特异性的同步提升利用MiYa平台整合自动化组装与梯度提升回归模型优化多基因途径的拷贝数与启动子组合实现代谢流的精准调控。例如通过AI预测优化酿酒酵母的peroxisome区室化策略使萜类前体产量提升80%为紫杉醇途径的高效重构提供了技术支撑。图4增强紫杉烷生物合成的AI驱动策略概念图总结紫杉醇从头生物合成目前正处于高速发展时期未来研究可聚焦以下方向一是深入解析紫杉醇生物合成下游氧化步骤的酶学机制为从头合成提供性能优良的催化元件二是强化AI技术在关键酶精准改造与途径动态调控中的应用提升整体合成效率三是开发高效转运系统缓解中间体毒性推动异源从头合成的工业化落地。随着合成生物学技术的持续迭代紫杉醇的绿色、低成本、规模化生产有望成为现实为全球抗癌药供应链安全提供坚实保障。该研究不仅系统绘制了紫杉醇合成生物学制造的研发路线图为突破该重要药物生产的资源瓶颈提供了理论指导也为其他植物源复杂天然产物的可持续生产提供了重要参考。论文作者介绍黎胜红研究员黎胜红博士二级研究员博士生导师现任成都中医药大学党委常委、副校长中国科学院昆明植物研究所植物化学与天然药物全国重点实验室主任。国家杰出青年基金获得者、国家“万人计划”领军人才、国务院政府津贴专家、德国洪堡学者、科技部中青年科技创新领军人才、中国科学院优秀导师、中国科学院优秀研究生指导教师、四川省“千人计划”创新领军人才、四川省卫生健康领军人才、云南省劳模、云岭高层次人才等。长期从事药用植物活性天然产物发现、生物/化学合成、药理活性与创新药物研发等相关研究主持国家基金杰青、重点、区域联合重点项目、中国科学院B类先导专项等20余项发表SCI论文200余篇出版《二萜化学》专著参编专著2部获授权发明专利20余项。获云南省自然科学一等奖3项、云南省委省政府“兴滇人才奖”等。担任国际期刊iMate、Plant Communications、Frontiers in Plant Science、Physiologia Plantarum、Natural Product Bioprospecting、Medicinal Plant Biology等副主编或编委。刘燕教授刘燕教授二级博士/硕士导师现任成都中医药大学中医药创新研究院/交叉学科研究院副院长。入选中组部“西部之光”青年学者A类、中国科学院青年创新促进会会员、四川省学术技术带头人、四川省杰出青年科技人才、四川省引进高层次青年人才、云南省“万人计划”等。主要从事药用植物活性天然产物生物合成与功能研究先后主持国家自然科学基金优秀青年基金、联合基金重点2项、面上2项和青年等项目获云南省自然科学奖一等奖获授权发明专利8项。谭春林副教授谭春林副教授硕士研究生导师成都中医药大学高层次引进人才入选四川省“特聘专家”、“博士后创新计划”、四川省“天府峨眉”创新创业团队骨干成员担任国际期刊BioDesign ResearchScience Partner Journal、Systems Microbiology and Biomanufacturing、Green Carbon青年编委获得伦世仪院士青年教育基金第八届“创新、创意、创业”电子商务大赛省赛奖励等。致力于从事中药药效物质和高价值天然产物药物合成生物学研究主持国家自然科学基金四川省自然科学基金中国博士后基金特别资助、中国博后基金面上中国博后资助BC档和博新计划等项目。相关论文信息相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文▌论文标题A synthetic biology roadmap for sustainable production of the plant-originated anti-cancer drug paclitaxel▌论文网址https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779925004871▌DOIhttps://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.11.013▲长按识别二维码阅读论文推荐阅读最全1000植物核基因组数据库IMP (点击图片直达)高颜值免费 SCI 在线绘图(点击图片直达)往期精品(点击图片直达文字对应教程)LinuxPythonR绘图NGS基础GEO高级生信自学生信书籍系列教程心得体会转录组经典宏基因组蛋白质组单细胞系列测序发展史免费在线画图色彩搭配图形排版图形解读ChIP-seqTCGAGSEAWGCNA海哥组学傻瓜系列文章写作CytoscapeExcelPPT机器学习公众号投稿联系陈同 chentong_biology163.com