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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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