中國網/中國發展門戶網訊 萜類化合物是由異戊二烯單元組成的有機化合物，已知結構超80000種，具有多樣的生物活性。根據異戊二烯單元數量的分歧，萜類化合物被分類為單萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜、四萜等，具有復雜多變的空間結構和多樣的理化性質與生物學效能。例如，倍半萜青蒿素是具有抗瘧活性的諾（貝爾）獎級藥物，二萜紫杉醇是抗癌領域的“明星”藥物，三萜角鯊烯具有保濕和滲透功能，四萜蝦青素具有顯著抗氧化感化。這些獨特的性質使得萜類化合物在醫藥、噴鼻料、化妝品、食物添加劑等領域有廣泛應用。
隨著分解生物學的蓬勃發展，萜類化合物的研討與開發正慢慢成為推動生物科技創新、加快產業升級的主要氣力。但是，在這一進程中，也存在著諸多挑戰。一方面，隨著基因組測序技術的日益成熟，互聯網上匯聚了海量的未鑒定分解酶資源，若何高效發掘并充足應用這些寶貴資源成為亟待解決的問題。另一方面，盡管萜類化合物的高產菌株的構建已不再遙不成及，但若何實現高產菌株的規模化生產，推動其產業化制造與商業化應用，還是一項必須面對的關鍵挑戰。
萜類化合物的高效發現
在“第三次性命科學反動”的海潮中，自然產物作為藥物的主要來源，其發掘任務正經歷著深入變革。面對全球性多藥耐藥問題的挑戰和現代藥物開發的需求，傳統的依賴生物樣天職離提取的方式已難以滿足當前需求。隨著計算才能的晉陞、基因組層面技術的發展、微生物培養技術的成熟，以及高通量自動化平臺的樹立，自然產物在藥物先導化合物的摸索中再次遭到重視，并開辟了新的機遇。
萜類化合物的高效發現，作為生物學科的關鍵研討標的目的之一，不僅能夠豐富自然產物資源，更能促進相關產業的技術改革和產品升級。今朝，重要通過3種方式來發掘萜類化合物：直接從自然來源提取、激活緘默基因（簇）和異源表達。這些方式的綜合應用極年夜地促進了萜類化合物的發現。但是，已鑒定萜類合酶和萜類化合物依然只是天然界中龐年夜萜類資源的一小部門。當前研討的焦點是若何衝破萜類化合物發掘過程中的“三低”難題——低產量、低結構新穎性和低研討效力，并在此基礎上發展出更高效的戰略來進行發掘（圖1）。
高效前體供給底盤供給發掘動力
異源表達是一種通過引進外源生物分解基因（簇）到具有成熟遺傳操縱的生物體中，以提醒其效能的方式。這種方式解決了原始宿主不成獲得和遺傳操縱困難的問題，被廣泛應用于萜類化合物的發掘和生物分解途徑的解析，并實現了多種明星萜類分子的從頭分解（表1）。選擇異源宿主時需綜合考慮其生長速率、代謝佈景、遺傳操縱方便性和對目標化合物的耐受性。常見的宿主包含年夜腸桿菌、酵母、鏈霉菌、絲狀真菌和形式植物煙草等。但是，受限于異源宿主的分解才能，僅能鑒定品貌高的產物，而品貌低的產物易被疏忽或難以獲取，這限制了對萜類合酶及其后修飾酶的周全認知。是以，改革異源宿主開發高效供給萜類前體的底盤菌株，進步產物的品貌和多樣性，對新萜類化合物的發掘具有主要意義。
年夜腸桿菌底盤。年夜腸桿菌因其遺傳操縱簡便和生長疾速而備受青睞。應用“定向分解代謝”的概念，基于體外催化的結果指導體內代謝途徑的改革，研討人員構建了高產異戊烯焦磷酸（IPP）和烯丙基焦磷酸（DMAPP）的年夜腸桿菌底盤。在此基礎上，通過組合分歧異戊二烯前體和萜類合酶充足釋放真菌來源萜類合酶FgGS和FgMS的分解潛力，研討人員檢測到50種萜類化合物，鑒定了包含3種新骨架的8個新化合物。
酵母底盤。酵母作為最易操縱、研討透徹的真菌生物，已被廣泛應用于萜類化合物的發掘。應用增強了內源甲羥戊酸（MVA)途徑的酵母底盤菌株，研討人員高通量系統發掘了74個真菌嵌合萜類合酶，此中34個具有活性，共產生了24種二萜和二倍半萜化合物，包含2種新的二倍半萜；并在此基礎上，進一個步驟顛覆性發現了非角鯊烯來源的三萜分解全新途徑。該戰略還可以運用到植物的萜類合酶的發掘中，通過在高效底盤中表征艾蒿來源的29個萜類合酶，研討人員發現了一個新倍半萜骨架和具有優秀驅蟲活性的艾蒿醇（Intermedeol）。
絲狀真菌底盤。絲狀真菌因其內含子正確識別剪切和卵白排泄才能，是真菌源萜類生物分解基因（簇）異源表達的幻想宿主。在基于微生物高產底盤的自然產物創新發掘戰略的基礎上，研討人員進一個步驟提出“一把鑰匙開一把鎖”的研討理念，選用釀造行業中最陳舊、應用最廣泛的米曲霉作為近源宿主發掘了5株真菌的所有的萜類分解基因簇，并構建了高效通用底盤，解決了異源表達適配性低和產量低的問題。
鏈霉菌底盤。鏈霉菌能夠分解種類單一、數量龐年夜的次級代謝產物，不單具有分解自然產物所需求的各種前體，還具備多類型產物耐受性和完美的修飾系統。鏈霉菌不僅可以用于萜類合酶的發掘，還可用于細胞色素P450等后修飾酶的表征。通過刪除高產鏈霉菌中的阿維菌素及萜類等內源代包養謝物相關基因，簡化遺傳代謝佈景和防止前體競爭，研討人員在異源表達細菌來源緘默萜類合酶時，勝利鑒定到13個新萜類化合物。
植物底盤。植物是自然藥物的主要來源，具備精細分隔的細胞結構以支撐膜定位外源酶的效能，同時擁有周全的翻譯后修飾系統，并具有平安性高、培養本錢高等特點。包養網應用形式植物煙草，研討人員以底物喂養和樹立篩選底盤2種方法鑒定了紫杉醇分解途徑的關鍵化合物和基因，實現了關鍵中間體baccatin Ⅲ在煙草中的從頭分解，展現了植物宿主發掘植物來源復雜萜類生物分解基因（簇）方面的優勢。
基因組與高通量協同優化發掘戰略
隨著測序技術的飛速發展，全球基因組數據量激增，海量的基因組數據沉淀在互聯網，亟待研討人員的發掘，這使得基因組深度發掘逐漸成為摸索性命奧秘的一把鑰匙。它能夠直接從基因組數據中發掘潛在的生物分解基因簇（BGC），以其獨特的視角透視生物體內在的遺傳信息，提醒微生物和植物中未被充足應用的化學多樣性，擴展自然產物高效發現的深度。
但是，自然產物的高效發現并非易事，它依賴于速率與效力的雙重晉陞。生物信息學的剖析雖然供給了海量的信息，但此中不乏冗余，需求大批的實驗驗證來往偽存真。今朝，數十萬個剖析歸檔的BGC中，僅不到0.25%進行過實驗表征和產物確定，這一現狀無疑制約了自然產物發現的程序。
為了打破這一瓶頸，自動化高通量技術應運而生。它通過海量的工程化試錯實驗，代替傳統的勞動密集型研討范式，能夠疾速、低本錢、多循環地完成“設計—構建—測試—學習”的閉環，成為自然產物的自動化高效發掘和高效構建高附加值化合物細胞工廠的解決計劃。今朝，國內外多家企業及科研院校均已建成高通量篩選平臺，實現了自動化基因編輯、菌株構建和高通量菌株篩選等效能，進步了自然產物發掘的效力。
應用基于米曲霉底盤的高通量平臺，研討人員系統性發掘了5株絲狀真菌中的萜類BGC，實現了從質粒構建、基因簇重構到活性篩選的全流程自動化實驗，將39個萜類BGC自下而上重構至208個突變株中，檢測到185個萜類產物，將實驗周期縮短至29天，在活性篩選階段發現了具有顯著抗炎活性的二倍半萜Mangicol J并提醒了其生物分解機制。在靈芝酸研討中，研討團隊應用釀酒酵母高通量基因編輯平臺，一次性構建了158個能夠的細胞色素P450過表達質粒庫，經3輪迭代菌株構建，發掘到2種能夠將Ⅰ型靈芝酸轉化為Ⅱ型靈芝酸的P450，勝利解析了靈芝酸生物分解途徑中關鍵酶。該創新性萜類發掘戰略結合基因組發掘、高效底盤和高通量平臺，不僅衝破了傳統發掘方式通量低的限制，更為自然產物的發現與應用開辟了新的途徑。
人工智能改革發掘方法
現代科學研討中，人工智能（AI）以其出色的數據處理才能和形式識別技術，為自然產物的發現與研討帶來反動性的衝破。機器學習與深度學習的疾速發展，不僅使研討人員能夠高效地處理息爭析海量的化學、生物學和藥理學數據，還能夠精確預測化合物的生物活性及潛在毒性。這一技術改革覆蓋了從基因組和代謝組發掘、結構表征到靶點和生物活性預測等多個關鍵環節，引領著自然產物研討向更深層次的包養網科學摸索邁進。
在基因組發掘領域，預測BGC是發現復雜次級代謝產物微生物的關鍵步驟。傳統的BGC預測算法，如CLUSEAN、SMURF和antiSMASH等，能夠在必定水平上識別與已知生物分解途徑高度類似的區域，但在面對未知的全新基因簇時力不從心。比擬之下，機器學習算法在此類任務中有顯著優勢。例如，Moore等整合了自動化機器學習框架AutoGluon-Tabular和來自擬南芥的多組學數據，以預測參與植物次生代謝物如萜類、生物堿和酚類的BGC，鑒定了擬南芥中1220個此前效能未知的基因。又如，Liu等應用antiSMASH和DeepBGC同時剖析馬鈴薯致病菌瘡痂鏈霉菌的基因組，后者預測到額外的112個BGC，展現了人工智能在新型基因簇識別方面出色的機能。
除了BGC預測外，卵白質效能預測也是自然產物發現的主要一環。在這一領域，AlphaFold作為一款深度學習軟件，勝利模擬了氨基酸之間的復雜彼此感化，并準確預測卵白質的最終折疊形態。AlphaFold到AlphaFold3的迭代更換新的資料，不僅晉陞了預測的精度和效力，也為靶點治療、新藥研發，以及分解生物學等領域供給了主要的東西支撐。值得一提的是，AlphaFold在卵白質效能預測方面的應用，為萜類合酶的預測結構供給了高精度的疾速解決計劃。研討人員可以借此技術，指導進行卵白質效能預測，從海量的卵白數據庫中敏捷篩選出具有宏大潛力的候選卵白，為后續的濕實驗供給無力的指導，從而發掘出全新的同類萜類合酶。
新自然產物功能和靶點不明，且活性實驗耗時冗長，阻礙了新藥研發的進程，AI助力的自然產物高通量篩選可打破這一局勢。一方面，AI通過整合和學習化合物結構與毒性、活性之間的關聯，通過識別類似藥效團預測新化合物理化性質和生物活性。另一方面，通過AI算法可以從多層面多角度年夜規模預測自然產物與潛在靶點間的彼此感化，加快苗頭化合物的發現，促進萜類化合物高效發現走向新藥研發的進程。機器學習技術，如支撐向量機（SVM）、隨機叢林（RF）、貝葉斯等算法已被勝利應用于藥物發現階段的化合物篩選環節，幫助改良藥物活性、預防藥物反作用，并發現新靶點。
盡管AI在藥物研發領域，尤其是先導化合物的發現和優化上獲得了大批進展，但在萜類化合物領域，今朝勝利應用案例尚少。在未來的研討中，AI無望從萜類化合物中發掘出更多的新藥候選物，為人類的安康事業貢獻氣力。
萜類化合物的產業化制造
在萜類化合物的產業化制造領域，傳統方式如化學分解、植物提取及自然含目標化合物的微生物發酵，雖各有其應用，卻均面臨顯著局限。化學分解雖能實現大批生產，但步驟繁瑣、能耗高且伴隨無害副產品，對環境保護和可持續發展構成挑戰。植物提取受限于生長周期、地區分布及含量無限，難以滿足年夜規模生產需求。自然微生物發酵則因產量低、提取本錢高而應用受限。
隨著分解生物學技術的蓬勃發展，萜類化合物的產業化制造迎來了反動性發展。科學家通過奇妙設計并改革細胞工廠，勝利將可持續的生物質能轉化為具有復雜化學結構和強效活性的特定萜類化合物，不僅彌補了傳統制造方式的短板，更開辟出一條綠色、可持續且高效的產業化新路徑。
分解生物學助力萜類化合物生物制造
在萜類化合物生物制造產業化進程中，萜類化合物細胞工廠的產品獲取路徑涵蓋菌株構建、生產縮小、分離純化三年夜關鍵環節（圖2）。這一過程的本質在于，要確保細胞工廠具備超凡的生產速度，力圖達到甚至超出植物提取、化學分解等傳統工藝的水準。盡管兩相發酵以進行原位萃取的戰略可以顯著進步小分子萜類的生產程度，但為了比較不難地純化到最終產品，萜類化合物的生產滴度至多需達到克級每升的程度（表2），這無疑對萜類化合物的產業化提出了嚴苛的請求。針對萜類化合物的生產速度這一焦點瓶頸，科學家們開發出一系列創新戰略。
生物分解宿主的選擇。隨著CRISPR 基因編輯技術的精進和全基因組序列信息的豐富，研討人員采用系統生物學方式對微生物制造工廠進行改進和創新，以實現萜類的高效分解。此中，年夜腸桿菌、釀酒酵母作為研討最為深刻、代謝佈景最為清楚的形式菌株，已實現多種萜類的高產。特別是釀酒酵母，憑借其表達高級真核生物基因的才能、單細胞組成的便捷操縱性，以及實驗室適應性進化賦予的可控性突變，成為萜類化合物生物制造的主力軍。
生物分解途徑的重建。釀酒酵母中萜類化合物的分解以本身自然存在的MVA途徑為焦點，分別向下游的乙酰輔酶A供給和下流萜烯單體DMAPP/IPP應用進行延長。通過增強整個MVA途徑，全局代謝網絡調控增添或許多元化乙酰輔酶A的供給，克制旁路的競爭代謝途徑使更多的萜烯單體流向最終產物，均衡調控分解途徑中的輔因子和能量供給等戰略，研討人員實現了諸多萜類化合物的高產。
生物分解酶的工程改革。萜類分解途徑下流的修飾酶是萜類結構復雜多樣的關鍵。在原生生物體內，這些酶不僅催化特定反應，且整個途徑遭到復雜的機制調控，使其直接進行異源表達時，會形成生物分解步驟效能解耦，以及分解不良副產物等風險。通過酶工程實現感性設計，可以極為有用地進步酶的表達程度、催化效力和反應特異性。與此同時，可借鑒其他分解途徑中的多酶級聯自組裝戰略，實現高低游途徑的強耦合，以及解決底物傳遞和代謝流不穩定等問題。
生物分解的靶向定位。萜類化合物結構的多樣性極易引發細胞毒性，限制單萜的產量晉陞；并且，隨著碳鏈延長形成的親脂性的增強，三萜和四萜趨向于在特定亞細胞區室中積累。通過將整個生物分解途徑定位到亞細胞器（線粒體、過氧化物酶體等），能夠實現對中間毒包養網 花圃性產物的區室化隔離，并對亞細胞器中豐富的乙酰輔酶A加以應用。此外，脂滴工程儲存毒性疏水性萜類前體，內質網工程進步卵白質的折疊分解和容納空間，對代謝途徑的精準調控都展現了極年夜的應用潛力。
分解生物學推進萜類化合物產業化
在這些戰略的加持下，萜類化合物細胞工廠的建造變得觸手可及，但仍需面臨一個關鍵問題：若何從眾多通過高效發現手腕篩選出的萜類化合物中，挑選出既具備廣闊市場遠景，又能彰顯生物制形成本優勢，從而帶來顯著經濟效益的品種？面對這一挑戰，既要著眼于實驗室內的技術改革，更要深刻分析市場走向與經濟可行性。
一種卓有成效的戰略是，聚焦那些市場需求明確的萜類化合物，通過優化菌株和生產工藝，實現產量的最年夜化。對于大批化合物而言，生物制造的單萜在經濟效益上或許難以與現有的傳統成熟工藝相媲美。但是，在更為復雜的十五碳及以上的萜類化合物領域，生物制造卻展現出令人驚喜的成效（表2）。從倍半萜中的用于噴鼻精噴鼻料領域的β-法尼烯、具有抗炎舒緩活性的(–)-α-紅沒藥醇，到二萜中龍涎噴鼻醚重要分解前體的二萜噴鼻紫蘇醇，再到三萜中生物全分解打針級疫苗佐劑角鯊烯、具有多種藥物特徵的罕見人參皂苷，以及四萜中的類胡蘿卜（如番茄紅素、β-胡蘿卜素、蝦青素）等，眾多萜類化合物已勝利買通了從實驗室設計到商業化生產的全鏈條。
表2 分解生物學助力萜類化合物的產業化進程
另一種富有前瞻性的戰略是，通過生物制造滿足特定市場需求的全新化合物。在生物制造航空燃料的摸索中，研討人員應用細胞工廠疾速分解了17個經過理論計算篩選過的倍半萜化合物，并對這些高能液體燃料候選剖析進行了系統性的高效評估。這種將細胞工廠與高效發現戰略相結合的方式，為拓展到其他細分領域供給了無限能夠。
分解生物學與化學分解的深度融會
盡管分解生物學在萜類化合物生物分解方面獲得了顯著進展，但仍有部門高活性的植物源萜類化合物（如紫杉醇）的生物分解途徑難以發掘，這在必定水平上制約了其產業化進程。但是，隨著對生物分解和化學分解認識的不斷加深，科學家們開創性地提出了結合兩者優勢的新戰略。
這一戰略應用現有的自然產物類似物和最低限制的化學催化，來分解特定的自然產物，有用解決了從復雜自然產物中經濟地生產候選藥物的難題。americanAmyris公司在釀酒酵母中高產青蒿素前體青蒿酸的實踐，就是這一戰略的勝利典范。遺憾的是，由于市場需求變化等內部原因，Amyris公司的商業化進程遭受波折，但這一思緒無疑為萜類化合物的產業化開辟了全新路徑。
在此基礎上，科學家們進一個步驟拓展了那些只逗留在高產階段，而無法進進產業化階段的化合物的全新運用，實現了其高附加值晉陞。具有顯著抗腎癌活性的Englerin A的大批生產難題，通過微生物分解的愈創木酚-6,10(14)-二烯作為關鍵前體實現化學半分解獲得解決。具有葡萄柚噴鼻味的高附加值產品圓柚酮，應用在釀酒酵母體內高產的倍半萜化合物瓦倫烯一個步驟化學分解，實現了產業化的新途徑。此外，還能應用類似于化學分解式發散摸索的新戰略，以生物制造的噴鼻葉基噴鼻葉醇為出發底物，通過化學分解創制抗潰瘍藥物替普瑞酮、骨質疏松癥治療藥物Menaquinone-4，以及營養品α-生養三烯酚的全新分解途徑。
分解生物學在化學半分解領域的應用，不僅實現了復雜自然產物的創制，更能對傳統工業生產形式產生顛覆性影響。以維生素E為例，其化學結構中包括萜類結構單元，傳統上依賴化學法分解。而現在通過微生物發酵分解的法尼烯作為前體，化學分解獲得維生素E的關鍵中間體異植物醇，并最終包養分解維生素E。這一創新性技術的衝破，打破了國外長期壟斷的化學全分解技術，標志著分解生物學在自然產物分解領域的嚴重進展。
細胞工廠規模化縮小的障礙
在萜類化合物的高效發現與產業化制造領域，下游菌株構建技術已實現了豐富的技術儲備，并獲得了顯著進展。但是，鄙人游環節，特別是規模化生產與分離純化方面，仍面臨嚴重挑戰，成為制約產業發展的瓶頸（圖2）。
規模化縮小的窘境。從實驗室的搖瓶發酵（僅50 mL）到工廠規模的噸級生產，萜類化合物的產業化之路存在大批挑戰。這一過程中，需求順次經歷實驗室小試（約5 L）、中試（接近工業化生產的500 L）等多個環節，直至最終的規模化縮小。這些環節中，需求順次探索最佳的培養基、溫度、pH值、溶氧把持、乙醇積累、補料戰略等條件，以確保工藝在縮小過程中的穩定性和可重復性。但是，發酵罐的實時監測和調控任務沉重且高度依賴任務人員經驗。在此佈景下，人工智能技術的引進能夠加快確認調控操縱與菌株代謝特徵之間的復雜關系，推進產物分解，從而在規模化縮小過程中堅持產量和質量分歧性。
分離純化的難題。雖然參加有機相進行兩相發酵可顯著進步產量，但易在發酵過程中構成穩定的乳化現象，使有機相和水相分離困難，形成總產量的損掉，以及精制困難。開發與發酵過程集成的在線油分離技術，從而允許如細胞重復應用等戰略或許能成為破乳的關鍵。完成破乳后，還需進行純化。當前，工業上廣泛采用高能耗的精餾塔進行分離，但該技術依賴年夜型設備，與實驗室規模脫節。是以，加強科研機構與企業之間的緊密一起配合，深化產學研融會，成為推動技術創新與產業升級的必定選擇。同時，摸索更多高效分離戰略也顯得尤為主要，如超臨界流體萃取技術的開發及新型固相萃取試劑的研討等，這些新技術和新方式都無望為萜類化合物的分離純化供給全新的解決計劃。
結語
隨著分解生物學技術的日新月異，萜類化合物這一天然界中極具潛力的化學寶躲，其高效發現與產業化制造正步進一個嶄新的發展階段。在發現方面，創新戰略，如高效前體供給底盤開發、基因組與高通量技術協同優化及人工智能應用，加快了萜類化合物的篩選優化，為產業化打下堅實基礎。在制造方面，盡管高效細胞工廠的構建已不再成為制約產業發展的瓶頸，但在產物的選擇、規模化縮小、分離提純等方面，仍面臨諸多挑戰。若何進一個步驟優化生產工藝，進步產物純度與產量，下降本錢，是當前亟待解決的問題。
但是，在萜類化合物產業化制造疾速發展的同時，也必須甦醒地認識到，今朝萜類化合物的研討更集中于學術界，眾多萜烯的實際應用價值未獲得發揮，是以推進其產業化至關主要。為此需求采取一系列辦法，以推動學術實現產業轉化。鼓勵以市場為導向的應用型科研，樹立科研院所與企業的長期一起配合關系，調整研討標的目的以滿足市場需求，實現資源共享與優勢互補。引進跨學科教導形式，培養既懂科研又懂市場的復合型人才，促進產學研融會，打消科研與市場間的信息障礙。供給技術和資金支撐，制訂利于結果轉化的政策，規范行業發展。通過技術交通會、展覽、論壇及現代媒體，加年夜結果推廣力度，晉陞公眾認知和市場認可度。
與此同時，對企業而言，萜類化合物的產業化進程仍面臨法令法規不完美、知識產權保護缺乏等挑戰。加速政策改革，推動完美生物制造產品的法令法規，精簡商品化審批流程，以促進產業的疾速發展，進步企業的創新積極性。進一個步驟強化知識產權保護體系，加年夜對技術模擬與侵權行為的打擊力度，保護創新者的符合法規權益，為創新者營造公正、公平的競爭環境。
瞻望未來，分解生物學技術將持續推動萜類化合物產業化制造邁向更廣闊的遠景。通過持續的創新衝破，將進一個步驟下降本錢、進步產量與純度，滿足市場需求，推動產業升級。等待看到更多勝利案例的涌現，為生物經濟注進新活氣，引領科技新時代。
（作者：池豪銘、鄂麗影，武漢年夜學藥學院；劉天罡，武漢年夜學藥學院 上海路況年夜學性命科學技術學院。《中國科學院院刊》供稿）