合成生物学引导绿色革命

如何理解合成生物学？

如何利用合成生物学手段研究开发药用植物？

合成生物学的新机遇？

翁经科

未来论坛青创联盟成员

麻省理工学院生物系副教授

翁经科博士现为白头生物医学研究所成员、麻省理工学院生物系副教授。主要从事植物代谢进化、合成生物学及生物医药方面研究。他于2017年创办DoubleRainbow Biosciences生物技术公司，致力于运用合成生物学和人工智能手段进行新药研发。

1

生命进化与

代谢进化的起源

地球生命演化的历史可以追溯到37亿年前。在那之前，地球上是没有生命的，但是从有生命的那一天起，生命演化的过程实际上也是一个化学演化的过程。迄今为止，我们仍然还在继续认知这个化学演化过程在自然界生命体系中是怎么起源并发展的，它在各种生命的进化轨迹中到底起了什么样的作用。

通过现代高通量代谢组学的手段（比如说液相色谱质谱）对各种植物进行化学分析，我们发现在每一种植物中都存在着成千上万的小分子化合物。有些植物中用质谱可检测到的化合物甚至可多达几十万种。由于每种植物所含有的化合物又具有非常高的特异性，所以我们可以推知现在地球上由四十多万物种所构成的陆生植物所含有的化学多样性的总和是极其惊人的。

由于现代科学技术的局限性，我们对自然界所存在的化学多样性的认知还是非常肤浅的。对于整个自然界中天然存在的化合物而言，我们能够辨认并确定其结构的化合物只是冰山一角。所以对于科学家而言，研究自然界的化学奥秘，是一个长期的并非常值得花精力研究的学科。

植物是天生的化学家

植物可以说是天生的化学家。与动物相比，在过去的几亿年中，他们形成了一种非常独特的生存和进化方式。我们现在的生物医学研究大部分是集中在动物上的，特别是研究模式动物。

而陆生植物从它们的早期起源开始，就得扎根于土壤。所有之后的进化都只能基于不能运动的事实，所以它们之后逐渐演化成为了优异的化学家，合成各种各样的化合物来保护自己、调控自身生长、以及吸引有益于植物宿主的微生物和动物。比起动物的动态，植物静态的代谢进化在人们眼中常常是不起眼的。而这些独特而又非常有效的化学合成能力让植物成为地球陆生生物圈最成功的生存者。

植物代谢进化也是一个巨大的还未被开发的科学宝藏，蕴藏着很多植物动物互作共同进化的秘密。在过去很多年内，人们有一种偏见，总是说植物科学好像没有动物科学对人类健康的重要性大。但我们在最近才慢慢认识到，对植物的化学多样性、植物生化合成能力的机理和进化基础的深入认知可以直接推动小分子药物研发的进程，为人类健康做出贡献。

早期陆生植物

如果回到四亿两千万年前的地球，地球就是这个样子的。早期陆生植物起源于水生植物。虽然图中的那些远古的早期陆生植物现今早已灭绝了，它们的后代慢慢的适应了陆生环境，最终演化发展成今天种类繁多的陆生植物。现存的地钱、苔藓和角蘚植物是与早期陆生植物形态和亲缘最近的植物。

维管植物

又过了五千万年，最初贴地生长的早期陆生植物逐渐演化成参天大树。这个很大程度上可以归结于一种重要化合物的进化——木质素。

木质素是一种结构复杂的酚聚合物，它质地坚硬、不易腐烂，不但承托了整株植物向高空生长所产生的重量，也对植物茎杆本身起到了很强的保护作用。

木质素最初是在早期维管植物即石松门植物中进化而来。由于石松门植物在石炭纪大量地将大气二氧化碳固定在木质素中，并且由于在木质素最初进化后长达五千万年间地球上没有进化出能有效降解木质素的微生物，石松森林被大量掩埋在地层中，形成了我们人类今天所用的煤炭。大气层氧气和二氧化碳比值因此大大上升，全球变冷，最终导致了二叠纪生物大绝灭。

大部分史前石松门植物都已灭绝，现在还存在于地球上的只有三个纲（石松纲、卷柏纲及水韭纲），而这三个纲的植物个体都比较小。陆生生态系统后来的演化被之后崛起的种子植物所主宰。

陆生植物

植物的代谢进化影响了陆生动物的进化。比如说，石炭纪大气层中的氧气含量大大提高，为飞行陆生动物的产生创造了条件，因为飞行活动比起之前的动物活动需要更大的单位耗氧。

现存的各种植物中含有成千上万特异的化合物。为什么这么复杂的化学多样性可以在没有任何智能生物的指导下会产生呢？

首先我们要认知它的进化选择过程。植物作为地球上的初级生产者，生存下来是很不容易的。地球上许多细菌、真菌、还有动物都会以吃植物作为食物来源，所以植物在进化的过程中就一定要不断进化出新的有毒性或排斥性的化合物，比如说可以抗细菌或者抗真菌的化合物。另外，许多植物含对动物有苦味、辣味、致疼、排斥性气味甚至毒性的化合物，这些用于防御的化合物可以说是植物用来抵抗天敌而自我合成的药物。

在几亿年的进化战争中，植物演化出各种各样稀奇古怪的化合物，除了可以驱除或杀死以它们为食的微生物或动物以外，有些特异的化合物还可以用来吸引其他生物来帮助宿主植物生长繁衍，比如说帮助植物根部固氮的根瘤菌和帮助开花植物传播花粉和种子的昆虫和鸟类。

人类

相对于37亿年地球生命演化史而言，人类在地球上存在的时间是非常短暂的。现代智人（Homo sapiens） 在20万年之前起源于非洲，随后在距今几万年的时间内走出非洲，并迁移到世界各地。在现代智人的进化过程中，人类主要是以狩猎和采集（hunter-gatherer）的生活方式存活，有的时候可以吃到肉类食物，但大部分时候还是以植物为主要食物来源。

最近有一期美国国家地理杂志上（National Geographic）介绍了生活在坦桑尼亚的以原始方式生活的最后一批现代智人。在雨季的时候，他们在草原上寻觅动物的同时，也会采集植物，包括刚果野莓。他们吃了刚果野莓以后，就会把种子吐出来，因为他们知道种子是不能带回家的，要把种子留在土地里，第二年才会有新的植物长出来成为来年的食物。在寻求植物作为食物的过程中，人类会在不经意之间发现有药用价值的植物。这种生存经验在一开始祖祖辈辈口耳相传。

在人类发明文字后，便有了关于药用植物的记载。这也就是为什么在全世界各个文化中存在着这么多基于植物药的传统医药系统，比如说作为中国人非常熟知的中医系统，就是在不停的对植物的实践中慢慢发掘出来的。

过去几千年来， 人类选择植物作为主要药物来源的文化并非偶然。植物界中包含的化合物种类是个天文数字，因此提供了可以击中各种疾病的靶标蛋白的概率基础。而且，很多植物化合物是为了调控种间化学通讯或防御，因此本身就具有类似小分子药物的特性。当被人类食用时，这些化合物就有可能和与人类体内蛋白质靶标或人类体内的致病或寄生的动物或微生物互作，进而影响人类健康和疾病状态。

2

日常生活中的天然产物

在我们日常生活中有非常多来自于植物的天然产品，比如说饮料及调味料，它们都是大自然赋予给我们人类的礼物。同样，现有的很多药物都是来源于植物天然产物，再通过人类的智慧改造而成的。这也就是过去的一个多世纪以来，现代西药早期发展的过程。

美国的FDA批准的第一个药物是来自于罂粟的吗啡。它是非常有效的止痛分子，但具有非常强的致瘾性。现在市场上有非常多的吗啡类药物，已经对吗啡原来的结构进行了改造，不影响止痛效果却有效地降低了致瘾性。

另外，作为一线抗癌药物的紫杉醇、长春碱是抑制微管蛋白的非常独特的分子。但由于它们极其复杂的天然化学结构，现在还没有成熟的工业化学合成工艺来生产，而且也没有其他人工合成的分子可以代替它们的药效。因此，紫杉醇、长春碱一类的植物类药至今还依赖于昂贵的植物提取过程。

还有一些分子，比如说提取于蛇足石杉的石杉碱甲（huperzine A）和来自于淫羊藿的淫羊藿黄酮次苷（icarisid II），前者是乙酰胆碱酯酶抑制剂，后者是磷酸二酯酶5抑制剂。本来这两个分子有潜力分别治疗老年痴呆引起的记忆缺失和心脏病，但是至今没有成为FDA批准的药物，是因为它们的植物来源非常的稀缺，这些宿主植物有的是产量低，有的是濒危植物。

所以说，很多植物天然产物本来是有机会成药的，但由于一些瓶颈和局限，导致现在还没有办法把它们开发成有效的药物。

3

现代化学工业的兴起

最近的三四十年间，大部分的药物实际上来源于化学合成。化学工业的兴起，我们可以追溯到十九世纪中叶。当时，美国的乔治·比塞尔和埃德温·德雷克在宾西法尼亚州第一次用钻井来开采石油。之后的短短的一百多年间，石油成为全世界主要能源来源之一，石油开采已遍及全世界。与此同时，由石油产业所衍生的石油化工和材料产业飞速发展，现在已经占全球GDP的15%。也就是说整个基于矿石（石油及煤炭）能源的化工产业，现在已经成为现代社会的支柱产业。

对石油的依赖

我们现在所用的日化、生活品大部分都来源于石油化工原料，比如说各种塑料及高分子材料、香精、以及有机溶剂。很多小分子药品，其化学合成前体也来自于石化工业。

我们对石油的高度依赖将会导致很严重的后果。按照现在开采石油的速度来预估，两三百年之内，石油产品或者矿石资源将会被我们完全消耗殆尽。到那个时候，如果我们还不能建立可以替代传统石化工业的可持续发展的新型化工工业，我们将会没有原料来合成各种各样社会所需要的化工产品，这是第一个问题。

第二个问题，由于在过去的一个世纪人类大量使用石化燃料，地球上的二氧化碳含量浓度大幅上升，极速加剧了全球变暖的过程。所以尽快开发和建立一种全新的可持续发展的绿色的化工体系迫在眉睫，而我觉得合成生物学可能在这个方向会有很大帮助。

4

天然化合物和

人类合成化合物的对比

接下来，我想通过以下几个例子来比较一下人工化合物和天然产物结构上的差异。

经过比较，就会发现，其实自然界的化学和代谢过程有很多精妙之处还远远没有被认知清楚，充分了解这些过程可以最终将这些自然界原理用生物工程手段运用到化工生产实践中。

第一个例子，左图中这个分子式是聚醋酸乙烯酯。我们用的普通胶水就是这种高聚物，非常好用。它的结构也相对比较简单，所以可以用化学合成的方式大量产生。

右图是今年年初我们实验室刚刚解析的一种叫花粉壁素的天然化合物的结构。花粉壁素是所有花粉颗粒最外层的一种保护细胞壁的多聚物，具有很强的化学惰性。几乎没有任何化学溶剂可以溶解它，也没有化学试剂可以降解它，所以过去几十年来的科学家一直没有办法攻克它的结构。

花粉壁素结构

我们实验室在过去五年中开发了一系列新的研究手段，最近终于攻克了花粉壁素结构之谜。我们发现花粉壁素主要是由两种单体聚合出来的一种非常奇妙的多聚物。其中一种单体，和聚醋酸乙烯酯很类似，另一种单体是碳十六烷烃的衍生物。这两种单体相互耦合形成花粉壁这种独特的多聚物。由于耦合的化学键包括醚键和酯键，导致了这种聚合物非常地稳定。此外，花粉壁素的硬度非常之高，堪比钻石。

通过这个例子，我们看到自然界能够通过代谢进化形成具有独特性能的化合物，远超人类想象。通过研究，我们认知了陆生植物保护薄弱配子的机制，这对我们今后合成工业用惰性材料会有非常大的启发。

药物分子合成

接下来想说一下药物分子。二十世纪前半叶，美国FDA批准的大部分药物来自于天然产物，很多这样的天然产物药物至今还在生产和销售。但随着合成化学的发展，之后的药物主要以人工合成的小分子为主。通过主成分（PCA）分析，比较天然产物的药物分子和化学合成的药物分子，就会发现，虽然天然产物的药物数目比较少，但是它们的结构更为复杂，药物和药物之间的结构差异也更大。

图中的紫杉醇结构，看上去就比较复杂，它有很多的手性中心。如果在三维空间来看这个分子，它实际上是有非常复杂的三维构象。

右边所展示的是格力卫，这是一个抗癌神药。它是一个非常平面的分子，没有手性中心，比较容易合成。在化学合成中很难解决的手性问题，自然界的生物合成可以完美地解决。所以说无论从化学家角度，还是生物学家的角度，认知自然界如何能够合成这样复杂的分子都是非常有意义的。

5

植物代谢进化

对合成生物学的启示

人们早期对植物次生代谢的研究，初期主要集中在发现植物里面有什么样的小分子，后来发展到研究植物中各种小分子的生化合成途径。当越来越多的植物小分子生化合成途径被逐步认知后，我们便可以真正去了解植物的代谢途径的进化过程。

比起动物来说，植物的代谢系统要复杂得多，可产生种类繁多功能特异的小分子。植物是怎么获得这个能力的呢？

在漫长的进化过程中，基因扩增、基因突变是无时无刻都存在的。基因扩增让原来有重要作用的编码酶的基因有了额外的拷贝。当一个拷贝可以继续维持原来的功能，另一个拷贝通过基因突变导致了其编码酶的催化活性或者是辨识底物能力发生变化。这个时候，这个衍生出的酶就可以催化不同的底物，产生新的分子。当多个编码酶的基因同时或者先后经历这样的分子进化过程，新的代谢途径就会逐渐产生。加上植物种群中虫害、病害、干旱、高温或极寒等等选择压力，对宿主有用的代谢途径就会被选择并保留下来。

CHS酶的进化

举个例子，图中左上侧的KAS III 酶，是在所有生命体中都具有的参与脂肪酸合成的酶。通过基因扩增及基因突变，就演化成了陆生植物所特有的CHS酶，可以合成柚皮素查尔酮（Naringenin chalcone）。柚皮查尔酮是所有黄酮类分子的前体。比如说众所周知的花青素就是一种黄酮，是植物防御紫外线的主要色素。

说到酶反应，我们总是说酶催化有高度的特异性。其实在微观的状态下，它是具有一定的“不特异性”。当一些不特异的活性，在基因突变过程中放大，并能够催化不同的底物产生新产物时，如果对宿主有帮助的话，新性状就会被宿主保留、放大、优化并遗传给下一代。当多个酶同时或先后发生各种突变导致催化能力的变化，新的生化合成通路就形成了。实际上，我们就是通过了解单个酶还有它所属的酶系家族的进化进而解析酶的催化的网络是怎么形成的。

卡瓦胡椒

我们实验室最近在研究来自于波利尼西亚群岛的一个药用植物，叫做卡瓦胡椒。其根部的主要药用成分叫做卡瓦内酯 （kavalactone），具有安神和催眠的作用。当地土著人在社交活动中大量饮用卡瓦胡椒根部饮品，成为他们文化中非常重要的一个部分。卡瓦内酯具有成为新型安神和催眠药物的潜力，但这些化合物之前只能从卡瓦胡椒根部提取分离，来源非常有限。

我们发现在卡瓦胡椒的进化过程中，产生了一系列新的特异次生代谢酶，最终形成了一个全新的代谢网络来合成各种各样的卡瓦内酯的衍生物。这个过程与化学家合成药物分子的过程类似，即基于同一个分子骨架合成一系列衍生物。

植物在它的进化过程中，经常会产生一系列结构类似的天然产物，其中有的可能对防御一些天敌有用，另一些可能会对防御另外一些天敌有用。这些植物中自然进化产生的衍生物对药物的开发和药物的作用机理研究非常有价值。

另外，通过对不同植物不同特定天然产物的合成过程的了解，我们就可以总结出一些特定反应过程（比如说聚酮合成反应、氧化还原反应）的共性，从而让我们能够更好的在别的植物中预测未知的天然产物的合成途径。

6

用合成生物学手段

研究开发药用植物

过去的几十年之内，天然药物分子的开发主要是按照分离纯化药用植物中的有效成分的思路进行的。但是在近些年来，当我们充分认知了药用植物生化合成有效分子的分子机理以后，就可以用合成生物学这样一种全新的手段去开发药物。

也就是说，我们将找到的药用植物中用于生化合成生物活性小分子的基因在微生物中进行重组，然后通过微生物工程菌株发酵重现目标天然产物。我们也可以在微生物工程菌株中增减一些编码特异性酶的基因来形成新的衍生物，成为待筛选药物分子。

研究思路

大部分药用植物都是非模式植物，缺乏分子遗传研究手段。那我们如何研究药用植物中未知的生化合成途径呢？

首先，我们测定目标植物各组织的转录组和代谢组，然后将植物所表达的基因去跟它们所在的组织中的目标化合物进行关联性分析，找到可能合成目标化合物的靶向基因。我们同时会形成一些目标化合物合成途径的假说，并在这些假说框架下寻找所需的特异性酶。

用大麻作为一个例子。我们已经知道大麻素在大麻叶片的纤毛中含量很高。同时，我们也发现大麻素合成的相关基因在纤毛细胞中确实是大量富集表达。我们通过对纤毛细胞的转录组进行分析，就可以有效地找到合成大麻素的基因。

找到了基因后，怎么确认找到的基因是大麻素合成基因呢？

因为大麻并不是一个模式生物 ，非模式生物意味着将异源基因克隆到这个生物中或敲除基因都比较困难，进行分子生物学的研究不是那么简单。我们做的实际上就用一种合成生物学的手段在另外一种模式生物中去重建这个这个反应系统来验证。

物理学家理查德·费曼曾经说过，“如果我不能重建一个系统，说明我还没有理解这个系统。”当我们有一些目标基因以后，会把这些基因在酵母、大肠杆菌或者是烟草的系统里面表达，重建同样的生化反应途径。当你能够重建系统并得到相应的产物时候，你其实就已经揭示了这个之前未知的生化合成通路。

尽管一开始目标化合物产量可能是非常低的，我们可以通过对微生物的底盘进行进一步的基因工程改造、对发酵条件的改良，来最终提高目标化合物产量。另外，我们也可以把这些基因重组到别的植物里面，比如说烟草，用农业的方式大量生产目标化合物。在过去的几年内，我们整个领域有非常大的发展，有很多原来很难获得的植物天然产物都已经可以用合成生物学方式合成了。

现在我这张幻灯片主要是我们实验室研究的一些成果，比如说我刚才提到的卡瓦胡椒，还有大家熟知的红景天，都是非常珍稀的植物，很难大规模的种植，但是我们现在已经可以用微生物工程菌株去合成其中的有效成分了。

7

合成生物学领域的新机遇

现在，我们可以运用定向进化的手段，来进一步激发合成生物学的潜能。

定向进化手段

去年的诺贝尔化学奖获得者，加州理工大学的弗朗西丝·阿诺德（Frances Arnold）教授的做法是人为地让酶进行随机基因突变，然后对每一代的突变后的酶进行特异性状的筛选，若干代后通过定向进化的酶可以获得新的目标酶活性。这样的活性可以是自然界不存在的，是完全通过人工过程进化而来。但酶的定向进化现在在技术操作上还是比较困难的，因为每次突变后的单个突变体都需要做生化的分析，这个系统中需要生化分析的突变体多达成千上万，是一个非常低通量的过程。

受到这个思路的启发，哈佛大学的大卫·刘（David Liu）教授创建了一种具有自进化功能的系统进行定向进化。他用大肠杆菌以及和它互作的噬菌体，在持续培养的容器中进行自身演化。当噬菌体带着这段基因片段演化出我们所想要的功能时，这些噬菌体也可以比其他的未演化的噬菌体更快地进行复制。那么仅仅通过几天到几周的时间中，这个大肠杆菌噬菌体互作系统就可以自己进化出编码我们想要生物学功能蛋白的基因。

现在把这个概念引入到植物次生代谢所涉及的酶的进化中。我们知道，对于植物中的天然化合物，无论多么复杂，在自然进化中，只要有基因突变，只要有选择压力，这样的分子总是能被植物合成的。如果我们能把这样的过程缩减到一个可以在几天到几周内就可以在实验室内完成的进化过程，那么我们最终可以合成任何我们想合成的小分子。

为了实现这个目标，我们实验室计划构建一个含有烟草植物细胞及与它互作的病毒的系统。我们将想进化的目标酶的编码基因转入这个病毒中，当这个病毒进化出我们想要的活性以后，可以反过来刺激病毒的分化的速率，这样一个自我促进的过程就可以实现目标酶的自我进化的目的。这个项目还在酝酿中，但我们觉得自进化植物系统是一个非常有前途的发展方向。

今天涉及到的很多内容都是由我在MIT的实验室的成员共同完成的，而这些项目的资金则来自于多家支持基础科研的基金会。我非常高兴今天有这样的机会和大家交流，很期待和大家继续讨论，谢谢。

特别鸣谢 文字校对：

黄文韬，麻省理工学院生物系博士
翁经科，麻省理工学院生物系副教授

本文内容出自第9期青创联盟线上学术沙龙YOSIA Webinar“合成化学与合成生物学的交叉融合”。欢迎查阅同期 主题演讲。

来源：未来科学论坛