科技日报记者 马爱平 通讯员 马昕怡 蒋彬
自紫杉醇发现以来的半个世纪里，绝大多数紫杉醇合成相关基因均由欧美研究团队主导完成。今天，这一情况得到改变。
北京时间1月26日凌晨3时，国际顶级学术期刊《科学》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员闫建斌领衔完成的最新研究成果“巴卡亭III生物合成酶的鉴定与异源重构”。研究发现了紫杉醇生物合成途径中的两个缺失的关键酶“T9αH1”“TOT1”，阐明了关键结构分子——紫杉烷氧杂环丁烷的形成机制，打通了紫杉醇生物合成途径。
“紫杉醇异常复杂的化学结构决定了生物合成途径解析的空前难度。”中国科学院院士赵国屏表示，这一研究成果标志着我国在天然化合物生物合成途径解析以及人工底盘通路重构方面取得突破性进展。
中国科学院院士邓子新认为，该研究实现了紫杉醇合成生物学领域的引领性原创成果重大突破。
紫杉醇的生物全合成研究尚未实现
紫杉醇是著名的植物抗癌天然产物药物，广泛应用于乳腺癌、卵巢癌等多种癌症的临床治疗。
然而，天然紫杉醇来源稀缺且单一，仅能从珍稀濒危裸子植物红豆杉中提取。如何不依赖红豆杉实现紫杉醇的生物合成？
自上世纪80年代起，科学家便开始寻找一种可以替代天然提取紫杉醇的合成方法。1990年，美国率先研发出一条紫杉醇半合成路线，并迅速投入商业化生产。在此后的30余年里，全球上百个科研团队相继投入到紫杉醇的生物全合成研究中，但均未能实现突破。
找到两个关键的酶
经过多年的潜心钻研，中国农业科学院深圳农业基因组研究所的研究团队终于攻克了这个科学难题。他们开创了一种既不需要消耗天然红豆杉资源，也不需要依赖土壤种植的环保且可持续的生产方法。
2021年，闫建斌团队领衔绘制出了国际首张染色体级别的南方红豆杉高质量参考基因组图谱。这张图谱就像一张“藏宝图”，揭开了红豆杉合成紫杉醇的遗传密码，为解析紫杉醇生物合成途径提供了宝贵的基因组学指南和关键线索。这项研究成果作为封面文章刊登于国际期刊《自然-植物》。
闫建斌介绍道，在这张图谱的指引下，研究团队进一步筛选了58个紫杉醇生物合成的关键候选基因。最终他们成功发现了能够催化氧杂环丁烷环合成的细胞色素P450酶，并给它起了一个响亮的名字——TOT1。
然而，在过去的三十年里，科学家们一直未能鉴定出催化紫杉烷C9位氧化的酶，原因就在于难以分离出C9位未被氧化的中间体。
面对这个难题，研究团队并没有放弃，而是另辟蹊径。他们创造性地构建了一个紫杉素的生物合成植物底盘，并利用这个底盘和生物信息学分析，从17个候选基因中成功筛选出了负责紫杉烷C9位氧化的酶T9αH1。这个基因就像是一个隐藏在红豆杉9号染色体上的宝藏，被两个已知的紫杉醇合成基因T2αH和T7βH守护着。
酶T9αH1的发现不仅解开了科学家们心中的谜团，更为紫杉醇的生物合成研究开辟了新的道路。
“在闫建斌教授领衔的这项研究中，他们发现了一种参与重要抗癌药物巴卡亭生物合成的重要酶。这一发现是我们对复杂天然产物生物合成理解的重大突破，它将使我们有能力大规模生产其他有价值的天然产物，从而开发出有价值的新药。”瑞典查尔姆斯理工大学终身教授，美国科学院、美国工程院院士延斯·尼尔森表示。
巴卡亭III的生物合成之旅
在克服了关键酶缺失的难题后，研究人员巧妙地运用了人工异源合成途径的策略，将新发现的酶与已知的合成酶巧妙地组合在一起。经过无数次的尝试，终于在植物底盘中成功生成了巴卡亭III，这是紫杉醇生物合成过程中一个至关重要的中间体。
闫建斌介绍，结合亚细胞定位分析等实验结果，研究人员绘制出了巴卡亭III的完整生物合成路线图。这个过程就像是一场精心编排的舞蹈，起始底物在叶绿体这个舞台上被酶催化成紫杉二烯。随后，紫杉二烯通过质体与内质网的接触点优雅地转移到细胞质中。在这里，它受到了内质网锚定的六个氧化酶和两个细胞质定位的酰基转移酶的协同催化，最终变身为巴卡亭III。
“自1971年紫杉醇结构鉴定以来，其生物合成途径一直没有打通。”中国科学院院士陈晓亚认为，该研究是植物代谢生物学与合成生物学领域的重大突破，为利用合成生物学技术实现紫杉醇的绿色可持续生产铺平了道路。
（中国农业科学院深圳农业基因组研究所供图）
