紫杉醇是一种广泛使用的化疗药物，已被用于治疗数百万卵巢癌、乳腺癌和肺癌患者。目前，紫杉醇主要通过从红豆杉树中提取其化学前体巴卡亭III来生产。然而，红豆杉树生长缓慢，因此每棵树所能生产的药物量远远不能满足需求。
紫杉醇分子大且复杂，使其合成成本高昂。自20世纪90年代以来，科学家们一直在寻找树木用来制造紫杉醇的酶，然后将这些酶插入酵母等勤奋的微生物中，以大量生产该药物。
“我们真的需要酶来构建这个分子，”化学工程博士后研究员康纳·麦克卢恩说。“酶通常是进行化学反应最有效和最清洁的方式。”
现在，麦克卢恩和他的同事们开发了一种新的方法来观察植物基因。这项努力揭示了几个关键的紫杉醇生产酶。研究结果使研究人员更接近于使用工业微生物高效生产该药物的目标。该团队在6月11日的《自然》杂志上报道了这一发现。“紫杉醇一直是植物天然产物世界中的圣杯，”该研究的资深作者、化学工程副教授伊丽莎白·萨特利说。“能够使用生物生产策略来制造像紫杉醇这样的分子是一个非常令人兴奋的前景。”
神秘的树木化学
科学家们一直试图窥探红豆杉的实验室。与携带约4000个基因的大肠杆菌相比，红豆杉树的基因组庞大，约有50000个基因。确定哪些基因负责制造紫杉醇一直很困难。在该研究之前，已经鉴定出12个基因，但生产紫杉醇或巴卡亭III的目标仍然遥不可及。
为了加快搜索速度，斯坦福团队开发了一种方法，从数千种酶中筛选出制造药物所需的酶，这种方法受到共同作者波莉·福德西（生物工程和遗传学副教授）工作的启发。他们剪下红豆杉树的针叶，并将其放入装有水和肥料的孔板中。然后，他们故意对样本施加压力，添加激素和微生物，诱导针叶产生防御化合物——包括紫杉醇。
研究人员将针叶磨碎并从中提取了约10000个细胞核。他们对这些细胞核进行了测序，并计数了它们的信使RNA。这使科学家们能够看到哪些基因因压力而被激活——信使RNA越多，特定基因转录成蛋白质的数量就越多。
通过这种方式，研究小组可以看到哪些基因一起闪烁，表明它们可能合作生产蛋白质。从已鉴定的12个紫杉醇生产基因开始，科学家们寻找这些初始基因可能合作的基因。他们列出了有希望的基因列表，然后将这些候选基因插入烟草植物中，看看它们是否进一步推动输出紫杉醇的化学反应。
将酶配方插入工业微生物
实验产出了八个新的关键基因。其中一个名为FoTO1的基因在简化和引导反应方面起着特别重要的作用。新鉴定的酶是生产巴卡亭III所缺少的拼图块。事实上，烟草植物产生的巴卡亭III浓度高于红豆杉树中的浓度。“理论上，再稍作调整，我们就可以大量生产这种物质，不再需要红豆杉来获取巴卡亭，”麦克卢恩说，他是该论文的共同第一作者。
研究团队还鉴定了催化从巴卡亭到紫杉醇的一个化学步骤的酶，这有助于将途径进一步推进到巴卡亭之外——只剩下最后两个步骤即可完成紫杉醇的生产。巧合的是，在四月份，哥本哈根大学的科学家们发现了这两个最终的酶拼图块，将反应从巴卡亭III推向紫杉醇。结合在一起，现在发现的22个基因可能代表了红豆杉的化学配方。“我们现在有了从头合成紫杉醇的完整基因集，”麦克卢恩说。
在未来不久，研究人员计划在烟草植物中验证这些最后两个酶是否与其他20个基因一起完成紫杉醇的合成。如果配方确实完整，编码这些酶的基因可以插入微生物中。酵母菌株可以被工程化成“极其高效的化学工厂”，以商业规模生产这种药物，麦克卢恩说。
更广泛地说，这种测试数千个细胞核的新方法可能会促进植物化学的进一步发现。红豆杉并不是唯一神秘的植物化学家。麦克卢恩和他的同事现在正在研究常见作物的基因组。这些蔬菜“充满了做有趣化学反应的酶，但我们还不知道它们在做什么。”麦克卢恩说。
萨特利也是霍华德·休斯医学研究所的研究员，斯坦福Bio-X成员，以及Sarafan ChEM-H的教职研究员。福德西也是斯坦福Bio-X成员，SPARK at Stanford成员，以及Sarafan ChEM-H的研究员。博士生Jack Chun-Ting Liu是该文章的共同第一作者；其他斯坦福合著者包括博士生Chloe Wick和前博士生Ricardo De La Peña（现就职于生物科技初创公司Amyris）。华盛顿州立大学副教授Bernd Markus Lange也是合著者之一。
该研究获得了霍华德·休斯医学研究所、美国国立卫生研究院和达蒙·朗扬癌症研究基金会的资助。
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