酵母经过改造，可以将简单的糖和氨基酸转化为抑制神经递质分子的药物。这项工作标志着可以使这类药物的生产更加可靠和可持续。

在荷马的《奥德赛》中，女巫Circe给奥德修斯的同伴们下了毒药，让他们失忆并出现幻觉。科学家推测，Circe的毒药中含有一种叫曼陀罗（Datura stramonium）的植物，这种植物富含一种名为托烷生物碱的药物，可用于治疗哮喘、流感症状和疼痛，并可诱发致幻剂和其他精神药物的作用。托烷生物碱，像大多数其他植物天然产物一样，需要从自然界提取，这大大限制了其应用。例如，受气候的影响，盲目的提取可能对环境有害等。此外，植物含有的活性成分非常低。令人振奋的是，Srinivasan和Smolke报道了一种制造托烷生物碱的替代方法——使用面包酵母的工程菌株，这种方法可以缓解这些限制。

天然产物的生物合成通常涉及漫长的代谢途径，具有复杂的动力学和调节方式。代谢工程领域的主要成就之一是开发出能够生产植物天然产物的微生物。然而，这种方法远不是常规的，因为参与生物合成的酶通常是未知的，在微生物宿主中可能是不活跃的。

Srinivasan和Smolke已经克服了这些挑战，生产出一种能将单糖和氨基酸转化为两种托烷生物碱（即莨菪碱和东莨菪碱）的酿酒酵母菌株。这些托烷生物碱可阻断神经递质分子乙酰胆碱的作用。它们被用来治疗恶心、胃肠道问题、分泌旺盛和神经肌肉疾病，包括帕金森。

Srinivasan和Smolke对酵母菌株开展了基因工程，使其过表达来自不同菌株的26个基因。这些基因一起编码几种代谢酶和转运蛋白。作者取得这一成就的关键在于他们将酶和转运体分别置于细胞的6个位置——细胞质、4个细胞器(线粒体、过氧化物酶体、液泡和内质网)和液泡膜。酶的亚细胞区隔化可以通过适当的酶活性和分离代谢中间体来提高产物的生物合成，以减少其毒性和竞争途径的损失。通过限制空间，区域化也增加了酶和它们的目标之间的局部相互作用。因此，这种酶的分离类似于化学工厂中发生的事情，不同的合成步骤是在不同的反应器中进行的，因此每个步骤都可以单独优化，以使生产效率最大化。

作者将莨菪碱和东莨菪碱的生物合成途径分为五个模块(图1)。在模块Ⅰ中，葡萄糖衍生的氨基酸-谷氨酸通过一系列反应转化为另一种氨基酸-精氨酸，这些反应部分发生在线粒体中。精氨酸随后在细胞质中转化为腐胺。在模块Ⅱ中，除了在过氧化物酶体中催化的一种反应和在内质网膜上固定的一种酶催化的另一种反应外，再通过几个胞质反应，腐胺被转化为莨菪醇——莨菪醇是托烷生物碱的功能核心。

 模块Ⅲ与模块Ⅰ和模块Ⅱ在胞质中平行发生，并将葡萄糖和氨基酸苯丙氨酸转化为苯乳酸葡糖苷（PLA葡糖苷）。对于这个模块，作者设计菌株来表达一种叫做PLA-UDP葡萄糖基转移酶的酶，这种酶存在于致命的茄属植物-颠茄中，催化PLA-葡萄糖苷的产生。

模块Ⅱ产生的莨菪醇和模块Ⅲ产生的PLA葡萄糖苷被导入液泡。下一步，在模块Ⅴ中莨菪醇和聚乳酸葡萄糖苷被转化为littorine（利托林）。构建模块Ⅴ涉及两个关键步骤。首先，Srinivasan和Smolke设计菌株来表达烟草中的一种转运蛋白，这种转运蛋白将莨菪醇导入液泡。第二，他们设计了细胞来表达颠茄酶利托林合酶（A. belladonna enzyme littorine synthase，AbLS）的一种变体。当在酵母中表达时，AbLS在反面高尔基网（trans-Golgi network，TGN）中停滞，因此不能催化液泡中利托林的产生。因此，作者将AbLS改造成一种跨膜蛋白——这种蛋白默认从TGN转运到液泡。这种AbLS变体能够在液泡中催化利托林的产生。

该途径的最后一步，模块Ⅳ，部分发生在内质网膜上。在这个模块中，利托林转化为莨菪碱，然后再转化为东莨菪碱。莨菪碱生产的最后一步涉及莨菪碱脱氢酶（hyoscyamine dehydrogenase，HDH），但编码这种酶的基因是未知的。作者分析了颠茄的基因表达谱数据集，找出了12个候选基因。他们在酵母菌株中表达每一种候选基因，以确定哪种具有所需的酶活性。然后，他们将颠茄中编码HDH的基因的活性与其他植物中的同类基因进行了比较，最后从Circe的曼陀罗中选出了最适合生产莨菪碱和东莨菪碱的基因。

除了这些步骤，Srinivasan和Smolke还删除了酿酒酵母中固有的消耗关键中间代谢物的酶，并过表达了其他酶以增加生物合成途径所需代谢物的生产。总的来说，他们的工作是个重大的成就，证明了微生物平台的潜力，使生产药品的方式更便宜、更快速、更可靠和更可持续。虽然他们的酵母菌株每升酵母菌培养物只能产生几微克到几毫克的莨菪碱——这还不足以取代我们目前通过植物提取的生产方法。然而，这是一个重要的里程碑。

为了进一步提高产量，有必要优化每个模块。这将涉及通过上调或下调天然酶来提高托烷生物碱的生物合成速率，促进跨亚细胞区的代谢物运输，以及改善代谢限速酶的活性（该途径中阻碍快速生物合成的关键步骤）。

Srinivasan和Smolke报道的新生物合成途径或将帮助我们开发更多的新药，增加疗效的同时减少副作用。（编译：刘亚青）

参考文献：Nature 2020;585:504-505