前景廣闊！羅小舟等在酵母中重構大麻素全合成途徑

大麻。圖片引自：https://www.fullspectrumcannabinoids.net

　　大麻（Cannabis sativa L.）在世界范圍內的種植和使用已經有上千年的歷史【1】。大麻素（cannabinoids）是大麻中的一類主要活性分子，有著超過100種不同的結構。人們對大麻素及其人工合成的衍生物在藥物方面的應用進行了廣泛的研究。在很多國家和地區，大麻素都是已批準的處方藥，用來治療多種疾病【2】。但是，因為大麻的種植和販賣在大部分國家和地區都是處于管制狀態，這對關于其藥用價值的研究受到了很大的影響。而且，大部分大麻素在天然種植的大麻中的含量都非常低【3】，通過萃取提純十分昂貴，而大麻素復雜的立體構型，又對大規模的化學合成帶來了很多挑戰。

　　2019年2月28日，加州大學伯克利分校Jay Keasling課題組羅小舟博士等在Nature上發表了題為Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast的研究論文【4】，以半乳糖為原料，在釀酒酵母中完成了大麻素生物合成途徑的異源重構，實現了包括大麻萜酚酸（CBGA）、四氫大麻酚（THCA）、大麻二酚（CBDA）在內的多種主要大麻素及其衍生物的生物全合成。

　　首先，研究者對釀酒酵母自身的甲羥戊酸途徑（mevalonate pathway）進行了改造，通過引入外源基因及過表達該途徑上的部分酶，提高了重要中間體香葉基焦磷酸（GPP）的代謝流量。接下來，又在該菌株中引入了一條合成己酰輔酶A（hexanoyl-CoA）的代謝途徑，該代謝途徑結合了來自多種不同物種的外源基因。同時還引入了大麻中發現的合成另一個重要中間產物戊基二羥基苯酸（Olivetolic acid，OA）的相關基因，實現了OA的生物全合成。

　　隨后，研究者通過生物信息學的方法，挖掘了數種植物的轉錄組或基因組，通過對比不同基因在不同組織的表達量，尋找能催化利用OA和GPP生成CBGA的關鍵酶。最終在大麻的轉錄組中挖掘出了一個編碼香葉基轉移酶（CsPT4）的基因并將其引入GPP和OA的高產菌株，最終實現了CBGA的生物全合成。通過在該菌種中引入對應的大麻素合成酶，完成了多種不同大麻素從半乳糖開始的生物全合成。

　　接下來，通過在培養基中添加不同的脂肪酸前體，研究者分析了該代謝途徑上的數個酶的底物選擇性，發現這些酶可以利用多種不同的前體作為底物，于是通過添加或者生物合成不同的脂肪酸前體，實現了多種非天然大麻素的生物合成。利用該途徑，研究者在大麻素的分子結構中引入了生物正交的化學反應基團，并展示了可以通過合成化學對其結構進行衍生化，進一步的提升了該類化合物所能覆蓋的化學空間，進而提高找到具有不同藥物活性、受體選擇性和藥物動力學屬性的新型藥物的概率。該方法也能對大麻素作用機制的相關研究提供新型工具。

　　綜上所述，這項研究通過在釀酒酵母中引入及改造超過15個來自不同物種的基因，實現了大麻素及其非天然衍生物的生物全合成，建立起一個生產天然及非天然大麻素的平臺，為未來更廣泛的關于大麻素的相關研究提供了方便，有望促進針對多種人類疾病的新藥研發。

　　據悉，加州大學伯克利分校和中科院深圳先進技術研究院美國工程院院士Jay Keasling教授為本研究論文的通訊作者，加州大學伯克利分校定量生物科學研究院的博士后羅小舟和來自蘇黎世聯邦理工學院的訪問碩士生Michael Reiter為共同第一作者，來自江南大學的訪問博士生張云豐參與了該課題研究。

　　原文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-019-0978-9

　　參考文獻

　　1. Pacher, P., Bátkai, S. & Kunos, G. The endocannabinoid system as an emerging target of pharmacotherapy. Pharmacol. Rev. 58, 389–462 (2006).

　　2. Hazekamp, A., Ware, M. A., Muller-Vahl, K. R., Abrams, D. & Grotenhermen, F. The medicinal use of cannabis and cannabinoids—an international cross-sectional survey on administration forms. J. Psychoactive Drugs 45, 199–210 (2013).

　　3. ElSolhly, M. A. & Gul, W. in Handbook of Cannabis (ed. Pertwee, R. G.) Ch. 1 (Oxford Univ. Press, Oxford, 2014).

　　4. Xiaozhou Luo. et al. Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature. (2019).