连佳长团队正在进行实验研究。 霆光摄
 

◎本报记者 江 耘  通讯员 岳思聪  周天宇

　　长春花虽是常见普通观赏花卉，却是临床核心抗癌药物——长春碱唯一的天然提取来源。然而，天然提取工艺存在致命短板：每2000公斤长春花干叶，仅能提炼出1克长春碱。极低的天然含量让这种救命药长期面临成本高企、供应不稳的困境。

　　近日，浙江大学化学工程与生物工程学院研究员、杭州国际科创中心副主任连佳长团队联合国内外科研团队取得重大科研突破，打破了长期限制长春碱人工微生物合成的产量瓶颈。

　　科研人员在改造后的酿酒酵母体内，将长春碱的直接前体——长春质碱的产量提升至164.9mg/L，相较此前公开报道数据提高近1000倍。相关成果近日发表于国际学术期刊《科学》。

　　微生物“药物工厂”遇阻

　　千倍级产量突破是依托合成生物学技术实现的。合成生物学就像“搭积木”一样，可以把酵母等微生物的基因进行重新编程。这种重新编程后的酵母能够模仿对应的植物细胞，生产特定的天然活性分子。依靠安全无毒、繁殖快、产业成熟等优势，重新编程后的酵母能够变身生产特定化学品的“大规模加工厂”。

　　早在2022年，连佳长团队就已将长春碱前体长达30步的关键合成途径“搬”进了酿酒酵母，但研究很快陷入僵局：产量始终停留在微克每升级别，和工业化生产标准相差甚远。

　　通过深挖细胞内部机理，团队找到了问题根源：长春碱在细胞中的合成不是一条连贯的“流水线”，而是一场跨区室的“接力赛”。其合成路径横跨细胞核、内质网、液泡、细胞质等多个“车间”，中间产物需要在不同“车间”依次传递。

　　其中最脆弱的一环在于一种名为“异胡豆苷苷元”的中间体。这个中间体性质极不稳定，生成后很快就会降解。催化它的SGD酶位于细胞核，而接收它的GS酶却主要分布在细胞质中，二者被核膜隔开，绝大多数中间产物还没来得及完成传递，就已经在扩散途中分解失效。

　　“我们在酵母细胞中合成长春碱前体的产量远低于长春花自身细胞，说明长春花细胞中一定有关键的未知因子发挥了作用，可谁也没找到它。”连佳长说。

　　意外锁定关键未知基因

　　研究转机来自一场跨越大洋的学术交流。连佳长团队此前发表的研究成果引起加拿大新布伦瑞克大学副教授曲洋团队的关注，双方通过邮件持续交流，成为线上学术伙伴。

　　在一次讨论中，双方关注到了一个反常现象：在病毒介导的基因沉默实验中，一个名为“CAD2”的基因一旦被“关闭”，长春碱产量就会直接跌到原先的10%。

　　此前，学界普遍认为CAD2的主要作用是控制木质素合成，与长春碱的合成看似毫不相干。这个反常现象就好比在一个制造业工厂中，管理工厂围墙修缮的工人请病假了，工厂却突然有一条流水线莫名其妙地产量暴跌。

　　看似毫不相关的要素之间，究竟有什么内在联系？

　　“让我们诧异的是，CAD2恰好紧挨着GS酶的编码基因，二者与长春碱合成相关的多个基因成簇排列在基因组上。而且，长春碱含量越高的植物组织，CAD2的表达量也越高。”浙江大学化学工程与生物工程学院博士生高笛介绍。

　　团队立刻敏锐地意识到，这个基因可能就是团队长期寻找的未知因子。为了探索其中的奥妙，连佳长又联系上在蛋白质工程领域深耕多年的西湖大学工学院特聘研究员王雅婕团队，开展横跨合成生物学、植物生物化学和蛋白质工程三学科的联合科研攻关合作，力求探索清楚长春碱合成背后的机制。

　　架起合成“分子桥梁”

　　联合攻关很快取得突破。当CAD2基因被整合进酵母菌株后，产物产量实现了跃升。团队迅速确认了这个由CAD2基因编码的蛋白的关键作用，并将这个关键蛋白因子命名为“VinBLAST”。

　　VinBLAST就像一座为长春质碱合成量身打造的“分子桥梁”，一头拽住细胞核里的SGD酶，另一头拉住细胞质里的GS酶，把两道被核膜隔开的工序“撮合”到细胞核内，形成稳定的多酶复合体。不稳定的异胡豆苷苷元刚一生成，就能直接传递到下一道酶的活性位点，极大减少了原本因跨区室运输而造成的损耗。

　　更让团队惊喜的是，这座“分子桥梁”还自带加速效应。VinBLAST与GS酶结合后，会重塑GS酶的底物通道，让GS酶的催化效率直接飙升24倍。

　　一边打通空间壁垒，一边升级催化效率，双重作用叠加下，长春质碱在改造后的酿酒酵母中产量达到164.9mg/L，较此前报道水平提升近1000倍，合成效率甚至超过了长春花自身。

　　这一发现的价值远不止于生产长春碱。VinBLAST作用的代谢节点，是700多种重要天然药物成分单萜吲哚生物碱的共同“母核”。抗心律失常药阿玛灵等重要药物都源自单萜吲哚生物碱这一大类家族。

　　更关键的是，VinBLAST在植物界高度保守，也就是说，在不同植物的进化历程中，这个蛋白都被“原封不动”地保留了下来。哪怕是烟草、葡萄这类与长春碱合成无关的远缘物种，其同源蛋白在酵母中同样能发挥增产作用，相当于为一大类天然药物的微生物合成送上了一把“万能钥匙”。

　　目前，研究团队已与相关机构展开合作，持续推动长春碱等生物碱的规模化制备攻关，让“天价救命药”走下神坛的愿景将逐步照进现实。