本文围绕2019年上海市自然科学奖一等奖项目“微生物源天然产物的生物合成和分子创新”展开，该奖项由中国科学院上海有机化学研究所刘文研究员团队获得。
大自然的恩赐——天然产物
从自然界里的动物、植物、微生物体内分离、提取得到的活性小分子，通常被称为天然产物（NPs）。我们看到的有颜色的物体，闻到的气味，尝到的味道以及日常用到的日化品，很多都来自天然产物。作为大自然无私的原始馈赠，天然产物是一个巨大宝库，蕴含着人类尚未完全揭开的秘密。从古人用发酵法从五倍子中得到没食子酸，到李时珍用升华法制备并纯化樟脑，再到德国药剂师从罂粟中首次分离出单体化合物吗啡，千百年来，人类对天然产物的探索和解密从未停止。
天然产物中有很多明星分子，如青蒿素、青霉素、红霉素等，它们的发现和应用对人类健康和疾病治疗作出了重要贡献。青蒿素的发现受到了中医药典籍的启发，由中国科学家从中药黄花蒿中提取、鉴定并合成。青蒿素被广泛应用于疟疾治疗，使全球数亿人受益。主要发现者屠呦呦教授因此成为首位获得诺贝尔生理学或医学奖的中国科学家。青霉素是最早被发现的抗生素，由英国医生亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）偶然从放置发霉的细菌培养基中观察到，他将这种霉菌产生的化学物质命名为青霉素。青霉素可以杀死多种细菌，由此开创了现代抗生素的历史，并且挽救了无数患者的生命。红霉素是继青霉素之后被发现的又一种重要的抗生素，由礼来公司从菲律宾的土壤细菌中提取。红霉素能够治疗多种细菌感染，为许多患者提供了有效的治疗方案，是不可或缺的药物之一。在上述三种明星分子中，青霉素和红霉素均来源于微生物。微生物是自然界中广泛存在的微小生物，它们具备丰富的代谢能力，可以合成各种复杂的天然产物。而这些来源于微生物的活性小分子同样也在我们生活的方方面面发挥着不可忽视的作用。
生产生活中的微生物源天然产物
农业 到目前为止，化学杀虫剂一直是控制农业生产害虫的首选。由于化学杀虫剂对环境的危害和对人体的潜在风险，具有较强杀虫能力、对环境友好、对人体毒副作用低的生物杀虫剂似乎是更好的选择。阿维菌素是来自土壤细菌的生物杀虫剂，可以干扰害虫神经生理活动，使害虫迅速麻痹，因其杀虫效果显著、用量极低，对人畜和环境都十分安全。
工业 如何以一种可持续、绿色清洁的方式生产工业产品对于保障社会经济可持续发展而言至关重要。除了微生物发酵产生的酒精、食醋、乳酸等大宗工业品外，微生物可以产生具有明亮色彩的天然染料，如靛蓝素和类胡萝卜素被广泛应用于纺织业和印刷业中。微生物还能够生产具有特殊香气和风味的化合物，如香蕉酮和丁香酚被用作香水和香精的添加剂。
食品 在生活中到处可见的益生菌食品为什么受人追捧呢？因为益生菌可以促进肠道营养物质的吸收，清除或减少致病菌的黏附，还可以维持肠道菌群结构平衡，改善便秘、腹泻以及消化不良的症状。乳酸菌是一类常见的益生菌，能够通过发酵作用合成乳酸和其他有机酸。除此之外，乳酸菌还会产生一些活性物质，比如乳酸菌素和乳杆菌素，这些物质具有抗菌、抗氧化等生物活性。
护肤品 在护肤方面，微生物源天然产物也表现出惊人的优势。酵母是护肤品领域常见的微生物，通过发酵过程可以产生多种小分子化合物，其中包括多肽、多糖、多酚类物质等。这些物质可以促进肌肤的新陈代谢，增加胶原蛋白的合成，从而达到保湿、抗皱、美白等效果。
医药 微生物源天然产物结构复杂，其在医药领域有着重要的应用和继续开发的前景，来源于微生物的β-内酰胺类、大环内酯类、氨基糖苷类等次生代谢产物已被广泛应用于抗感染、抗肿瘤、免疫抑制、降血糖等医疗领域。与传统的化学合成分子相比，这些来源于微生物的活性小分子往往靶点明确、药效显著，为药物发现和创新带来了优势和挑战。
更新迭代的微生物源天然产物
自然界的微生物虽然分布广泛，但是其所能生产的各种产品的种类和产量仍然有限。因此，丰富微生物细胞生产化学品的种类和提高细胞的生产效率成为微生物源天然产物相关研究领域的两个关键问题。
一方面，针对微生物源天然产物新品种的获得问题，目前的主要解决策略包括通过基因组挖掘的方法充分开发微生物资源以寻找新分子，以及通过代谢途径的改造在已知天然产物的基础上进行修饰得到新分子。由于进化上的特征，微生物的基因组中编码天然产物的基因往往成簇存在，这使得挖掘和改造其产生的天然产物有迹可循。目前已有大量关于微生物源天然产物挖掘的研究报道。例如，核糖体肽已经成为活性小分子的主要来源，正在以前所未有的速度和规模被发现和表征，成为新药开发的潜力股。同样，对天然产物的生物合成途径进行人工修饰以获得非天然的“天然产物”的案例也越来越多。例如，阿尼芬净在临床上可用于治疗深部真菌感染，其生产过程就是在真菌发酵产生的小分子母核的基础上，通过微生物转化实现其中关键的结构修饰。
另一方面，许多微生物源天然产物并未达到大规模生产的要求。许多活性小分子经常是以毫克为单位来计算的，产量很低，不具备经济可行性，可能直接导致无法生产或者相应产品价格高昂。针对这一问题，早期的解决方法主要通过自然筛选和诱变育种的方式获得高产微生物，然而这种非理性策略效率极低。随着生物学技术的不断发展，对微生物系统认知和改造能力的进步促使“合成生物学”（一门结合了生命科学观察分析方法和工程学设计思维的学科）诞生。从合成生物学的研究视角来看，可以在微生物宿主里把一些原本不表达的沉默基因激活，也可以表达一些来源于动物、植物体系的基因，甚至可以表达自然中不存在、通过人工合成的基因。
世界上最小的工厂——微生物细胞工厂
微生物是药物发现与发展的重要源泉，也是药物高效精准制备的理想“细胞工厂”。一提起工厂，人们脑海中浮现的应该就是固定的厂房、流动的工人、快速的物流；而提到微生物，你可能又会想到那些潜伏在我们身边，可能引起食物腐败、伤口感染和传染病暴发的看不见摸不着的小家伙。那么，工厂和微生物是怎么联系在一起的呢？一般而言，工厂是指经人工设计具备一定生产线，配备相应的动力等辅助系统，并在一定的管理程序下运行的生产系统。而经过合理设计的微生物细胞就像一座“微型工厂”，输入原料后，其体内的遗传信息仿佛一台智能电脑快速运行程序，在代谢能的驱动下，经设计优化的“生产线”开始运作，最后输出特定产品。微生物细胞工厂具有高产率、低成本、易操作、绿色环保等优点，在生物医学、生物材料、食品、化妆品等领域得到广泛应用。
为了适应规模化工业应用，需要对微生物细胞工厂进行改造。理想的微生物细胞工厂的原料范围可以不断扩大，尽可能提高能源吸收和产品产量。而随着产量接近理论的最大值，无论是从上游的菌株构建，中游的放大效应，以及下游的工业化生产角度，如何进一步提高产量将更具挑战性，这就要求更合理、更系统的工程策略。
如何让微生物这一细胞工厂变得更加高效？
通过对微生物的基因组学、蛋白质组学、代谢组学、转录组学等方面的深入研究，可以发现其中许多代谢途径和酶的作用机制，并基于对这些机制的理解构建高效的微生物细胞工厂。随着生物学技术的更新迭代，目前已经开发了诸多构建微生物细胞工厂的基因工程、蛋白质工程、代谢工程策略，有助于微生物细胞工厂在复杂的应用环境中突破瓶颈，提高目标产品的产量。
基因工程指以分子生物学和微生物遗传学的方法，将基因按预先设计的蓝图进行重组、克隆和表达（即重组DNA技术），涉及对DNA的人工改造，通过向微生物中引入外源基因或改变其内源基因的表达，以实现对特定性状的控制和改善。蛋白质工程指利用分子生物学技术对蛋白质的结构和功能进行改造，通过对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造，调控蛋白质的性质，例如改善其稳定性、活性、抗原性、溶解性和免疫原性等，从而适应不同的应用需求。代谢工程指通过改造和调节细胞代谢网络，以实现对目标产品产量、代谢途径及代谢产物的调控和优化，使其能够有效地合成所需的化合物，通常涉及对微生物基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的分析和调控。
与此同时，作为辅助和指导工具的信息分析也在与时俱进，生物信息学的发展将微生物研究推向了一个新时代。利用细胞内极其复杂和动态的生活环境中的生物成分，开发出“设计-构建-测试-学习”（DBTL）迭代循环，它依赖于数据分析和数学模型，目标是进行功能表征和响应反馈，构建更加高效简便的微生物细胞工厂。毫无疑问，这些广泛而深入的研究将为开发更好的微生物源天然产物提供巨大的潜力。
近年来，合成生物学作为一门新兴学科得到了迅速的发展。通过合成生物学技术，可以优化微生物细胞工厂的代谢能力，也可以优化天然产物的生物合成过程。此外，基于对天然产物生物合成的认知，可以利用合成生物学技术改造微生物细胞工厂，实现目标代谢物的定向修饰，生成在自然界难以获取的独特产物。
微生物源天然产物的生物合成和分子创新
微生物产生天然产物的目的并非为人类所用，而是作为应对各种外部环境关切的工具或媒介，比如信号转导、竞争拮抗和环境适应等。这些生物学过程常常是动态、可变的，会对生物体提出新的合成要求，通过其产物的结构改变、优化和最终选择来适应各种生物学功能的变化。因此，生物体与其内外环境的相互作用推动了天然产物与生物学的共进化，也导演了自然中基于普适性与特异性规律的小分子进化、演变的基本法则。理解天然产物生物合成的普适性与特异性规律，并基于这些理解人为加速小分子的进化、演变过程，将极大促进微生物源天然产物的发现、结构多样性扩展和应用的进程。
中国科学院上海有机化学研究所的刘文研究员团队，遵循“师从于自然、认知于自然、创新于自然”的研究思路，专注于微生物产生体系中天然产物的生物合成途径的建立和新型酶学机理的阐明，致力于发展天然产物发现新策略，并运用合成生物学的理念加速小分子的演化过程及扩展它们的用途，取得了系列国内外同行高度评价和广泛关注的引领性成果。团队系统揭示了林可酰胺类、硫肽类、螺环乙酰乙酸内酯类等多个代表性抗生素家族的生物合成机制，极大地丰富了基于普适性与特异性规律去认知小分子天然产物自然演变法则的理论。例如，林可酰胺类抗生素是一类产生于链霉菌的含硫抗生素，其中，林可霉素被广泛用于治疗革兰氏阳性细菌引起的感染，在临床上的应用已长达半个多世纪。但是，该家族抗生素的生物合成机制一直不清楚，严重妨碍了相关新药的研发和高效制造。刘文团队在《自然》（Nature）上发文，揭示了两个小分子硫醇——麦角硫因（EGT）和放线硫醇（MSH）——参与的林可霉素生物合成机制，打破了长期以来人们对生物体内广泛存在的小分子硫醇解毒功能的认知禁锢，揭示了一条全新的硫元素引入天然产物分子的新途径。在随后的研究中，团队陆续揭示更多来源于微生物体内降解或解毒途径的功能蛋白在活性分子林可酰胺类抗生素构筑中发挥的重要作用，诠释了微生物生物合成所体现的不破不立、对立统一的自然规律。
尽管微生物源天然产物结构复杂多样，但在微生物体内，它们都是以小分子羧酸、氨基酸和单糖等简单的初级代谢产物分子作为底物，遵循一定的化学原则，经过系列酶的顺序协作催化反应而形成。天然产物生物合成过程中新型独特酶的发现及其酶学机制的解析，将丰富合成生物学的元件，是成功运用合成生物学手段构建微生物“细胞工厂”的关键。螺环乙酰乙酸内酯类抗生素吡咯吲哚霉素的骨架构筑过程中，团队发现了两种不同的酶，可以极大地促进狄尔斯-阿尔德（Diels-Alder，D-A）环化反应的发生。D-A反应是合成化学中最重要的反应类型之一，作为一种极为有效的碳-碳键手性构筑手段，广泛地应用于合成化学、药物化学、材料化学等领域，科学家们早已预言D-A反应可能存在于生物体系中，然而数十年来却无法确切地判断D-A反应酶到底是否天然存在。该发现为回答这一生物和化学领域长期争论但悬而未决的科学难题创造了有利的契机。团队在硫肽类抗生素生物合成途径中发现了一个S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖的新型酶蛋白催化自由基介导的酶促结构重排。自然界中以SAM介导的自由基酶促反应数以万计，但相关酶学机制知之甚少，很大程度上在于对相关产物和自由基转化过程缺乏了解。该酶的发现和催化机制的揭示，在理解SAM依赖的自由基蛋白所催化的复杂结构重排反应方面迈出的重要一步，对构筑具有独特结构单元和重要药学活性，尤其是具有芳香结构单元的化学分子具有重要的意义。
刘文团队的研究策略
基于对天然产物分子生物合成机制的原理性发现，刘文团队积极拓展理论研究在方法学上的应用，采用生物技术解决合成化学的难题，扩展微生物源天然产物的结构多样性与用途。提出了“复用组合生物合成”的概念，把组合化学的思想应用到生物合成的各个阶段，最大限度地丰富分子的多样性和用途。以抗霉素的链霉菌产生体系为模型，运用以多样性为导向的生物合成策略构建了包含数百个成员的双内酯天然产物类似物库；通过筛选，获得了一大批活性高于母化合物的结构单体，并引入了大量药学上重要、化学上活泼或天然不存在的功能基团。基于对硫肽类抗生素系统性共性和个性生物合成机制的解析，与合成生物学的理念相结合，设计、并以细菌作为“细胞工厂”生物合成了数十个新型的硫肽抗生素，其中氟取代的硫链丝菌素衍生物与对照药物、临床上作为最后一道防线的万古霉素相比，对耐药致病菌的活性高出200倍以上，是优良的抗感染药物先导物，激发了国际上以“细胞工厂”进行硫肽结构衍生的热潮。目前，生物合成创造的新硫肽已远超过去70年自然分离的总和。
此外，团队关注国家需求，致力于我国大宗抗生素产品产业化方面一些关键科学问题的突破及相应理论和方法的应用转化。研究团队通过采用合成生物学技术设计的红霉素、林可霉素、阿维菌素等抗生素新工程菌株提高了产品的产量和质量，运用合成生物学的理念加速小分子的演化过程并扩展其用途，在大宗工业发酵产品技术发展变革方面产生了良好的示范作用。
未来，关于高效微生物细胞工厂的研究趋势是将合成生物学与其他学科相结合，如计算机科学、人工智能和机器学习等，以实现更精确的设计和预测。这些技术的结合将加速活性小分子的发现和应用，并推动微生物源天然产物的生物合成和分子创新进一步发展。
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本文作者刘文是中国科学院上海有机化学研究所副所长、研究员、博士生导师，上海市技术发明奖一等奖第一完成人；赵群飞是上海中医药大学副研究员、硕士生导师，上海市技术发明奖一等奖第二完成人；陈单丹是中国科学院上海有机化学研究所副研究员；岳厚汝是上海交通大学生命科学技术学院研究生。