国家自然基金标书-微生物药物创新与优产的人工合成体系.DocVIP

项目名称： 微生物药物创新与优产的人工合成体系 首席科学家： 冯雁 上海交通大学 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 教育部 一、关键科学问题及研究内容 拟解决的关键科学问题 构建微生物药物合成体系的根本目标是实现药物生物合成的定向性和高效性，需要解决微生物药物合成体系的合成与调控、元件及模块组装、底盘细胞与系统优化等科学问题，即（1）微生物药物高效合成与调控的分子基础，（2）微生物药物优质底盘细胞的构建原理；（3）工程化设计生物合成体系的适配性机制；（4）人工合成生物体系对环境的应答机制。 微生物药物高效合成与调控的分子基础 微生物次级代谢途径是微生物药物合成的内在基础。在外界特定信号的刺激下，相关药物合成途径得以激活，通过多个催化功能及调控元件的组合进行特定药物分子的合成。药物分子的结构主要取决于催化功能元件的化学选择性及立体选择性，而药物产率则取决于药物合成途径中调控元件以及关键节点酶的催化效率。目前对微生物合成与调控的分子基础已有所了解，应用现有功能元件的优化和替代等代谢工程技术，对药物合成效率有一定促进作用，但是现有知识还无法很好地实现微生物药物的高效制备。加深理解微生物药物高效合成与调控的分子基础，发现并确定合成途径中关键催化元件的作用机制，对其进行理性人工设计及优化，改变催化反应类型或药物主体结构的修饰部位，提高催化反应效率，促进新结构化合物的快速产生及合成速率的提升；构建有序的生物元件组装体，提高反应效率；对调控元件的人工设计和改造，使微生物对人为设计信号进行应答，控制相应药物合成途径激活水平和持续性，是实现大幅度提高药物产量、降低药物生产成本的保证；因此在分子水平上阐明微生物药物高效合成与调控的机理，揭示催化与调控元件的协调作用关系是构建药物微生物合成体系的首要科学问题。 微生物药物优质底盘细胞的构建原理 微生物药物底盘细胞的设计是合成人工体系发挥作用的基础。生命的本质是由基因编码的蛋白决定的，一个生物体的基因组序列携带了构成和维持其生命活动所需要的全部信息。从细胞功能必需性的角度可以将基因分为三类：1.维持细胞基础代谢和执行基本生命活动的必需基因；2.在特定生境下，克服某些环境压力，强化生存的条件必需基因；3.非必需基因。链霉菌作为产生天然药物最大的类群，其线性染色体结构具有核心必需区和柔性可变区，是作为微生物药物底盘细胞的最佳选择。为建立优质的微生物药物底盘，首先应用比较基因组学预测底盘链霉菌的核心必需区和柔性可变区，从后者中进行连续的大片段缺失，使染色体结构更为稳定；从前者中去除可能的次级代谢合成基因簇以及平行转移获得的可移动元件，使简化的底盘细胞进行基本生命活动所需能量更小，生活周期更短。另外一方面，强化或加载一些天然药物合成的共同前体物合成基因，改善菌体生长性状及抵抗发酵过程噬菌体污染的限制-修饰基因，使优质化底盘细胞获得新的生命优势，实现底盘细胞的遗传稳定性和普适性，为微生物药物的高效合成提供平台。 工程化设计生物合成体系的适配性机制 在对微生物药物合成及调控机理理解的基础上，应用计算生物学方法构建特定构效关系的生物元件及途径，经热力学评价和动力学模拟，为人工合成体系提供理论指导。以工程学的原理对药物合成途径进行设计，最终在底盘细胞上组装生产线，需要解决途径中各元件间、路径与底盘之间的适配性这个科学问题。为探索适配性机制，可以在体外及体内两个层面上进行。在体外对合成途径进行检验和优化可以绝缘胞内其它因素的干扰，即根据药物的结构特征，设计或构建的新合成途径应该满足反应热力学基本原理，再根据合成途径中的各反应类型，从功能元件库中挑选适宜的元件进行体外组合或装配，模拟计算合成途径的反应进程，检测反应物的流量变化，确定合成途径中的节点元件，对其进行设计和优化，以及环境因子对人工合成途径的影响。在体内需要解决合成途径与底盘细胞其它代谢途径的适配性问题。在封闭的细胞内，其适配性问题主要反映在物质与能量的动态平衡，即结构性物质的流向和电子的传递。基于底盘链霉菌基因组的解析，模拟人工合成途径在代谢网络中的运行，检验代谢流，设计与重新组装调控元件，调节人工合成途径与底盘的适配程度是构建人工生物体系进行药物合成的必然过程。 4. 人工合成生物体系对环境的应答机制 在底盘细胞基础上人为构建合成途径，必然会对整个调控网络带来影响，也反映在人工合成生物体系的生理指标方面。因而实现药物的高产量、低成本生产，还取决于人工生物体系对外界环境的应答机制，主要包括抗逆、与胞外的物质交换和对特定激活信号的响应。由于对复杂生命系统工作原理的了解还存在太多的盲区，因而在基因及基因组的组成与结构水平上研究其抵御生物、物理和化学等因素破坏作用的机制；揭示重要物质的跨膜机理；在调控网络、细胞及细胞群的层面分析人工生物体