随着合成生物学的快速发展，天然药物合成领域迎来了革命性的技术策略。本文综述了合成生物学在天然药物合成中的应用，并以青蒿素为例探讨了如何利用合成生物学技术策略来提高天然药物的生产效率和质量。
此外，还探讨了合成生物学技术在提高天然药物可持续生产和降低成本方面的优势、合成生物学在天然药物合成中面临的难点与挑战。总体而言，合成生物学技术策略为天然药物合成提供了新的视角和工具，有望在未来的药物开发中发挥重要作用。
01天然药物的合成生物学研究
天然药物合成生物学是在以基因组解析技术和化学合成技术为核心的现代生物技术基础上，将工程学和系统生物学相结合，综合分子生物学、生物信息学、药物化学、药物合成、药物分析、药理学等学科，建立起来的以规模化和程序化制备天然药物为目的的集成学科。从本质上说, 天然药物合成生物学技术是一种采用绿色、可持续发展方式规模化制备天然药物的工程化生物合成技术，代表着未来天然药物制备的发展方向之一。
其研究内容目前主要包括两个方面:
一是天然药物固有代谢途径的解析、重构与工程化，即通过基因工程，将天然药物生物合成相关途径酶基因导入大肠杆菌、酿酒酵母以及模式植物细胞中，在这些底盘细胞中重构一条天然药物的生物合成途径，将这些细胞构建成能制备天然药物的“细胞工厂”，利用“细胞工厂”生长繁殖快的特点，源源不断的制备天然药物。
二是全新天然药物合成途径的设计、筛选、组装与程序化，即根据天然药物的生源合成途径，从基因数据库中寻找相应的酶基因, 并将这些酶基因转移到底盘细胞中, 组装成一条全新的多基因控制的药物合成途径, 利用这条代谢途径制备出结构优化、产量丰富的天然药物。
02青蒿素背景介绍
最开始，青蒿素的供应完全依赖于从植物青蒿中提取。青蒿中青蒿素的含量一般较低（约占干的重0.1%~0.8%），且提取环节多、费时费力，使青蒿素的生产成本高、产量低，难以满足市场需求。为稳定供应，降低成本，加州大学Keasling课题组开展半合成法生产青蒿素的课题。目标是利用工程微生物发酵生产青蒿素前体（青蒿酸），再通过化学法合成青蒿素。
在2013年，JD Keasling 教授在第十八届生物化学与分子工程国际大会(BMEXVIII)上介绍：其团队历时10年，实现了青蒿酸在酵母中发酵生产，产量高达25g/L，并经简单化学反应合成了抗疟药物青蒿素。
图片来源：摩熵化学（MolAid）
03青蒿素生物合成途径
青蒿素是一种倍半萜，主要存在于菊科植物黄花蒿的花和叶中，其生物合成途径属于类异戊二烯途径，合成过程十分复杂，自然界中存在两条不同的类异戊二烯代谢途径。一种是存在于细胞质中的甲羟戊酸（MVA）途径，即青蒿中的途径；另一种是存在于质体中的异戊二烯（MEP）途径。
目前的研究得出，青蒿素的合成途径主要由MEP途径和MVA途径提供二甲基烯丙基焦磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）和异戊烯基焦磷酸（isopentenyl phosphate，IPP），然后在法尼基焦磷酸合成酶（farnesyl diphosphate synthase，FPS）的作用下，1 个 DMAPP 和 2 个 IPP生成法尼基焦磷酸（farnesyl diphosphate，FPP）。FPP在紫穗槐二烯合成酶（amorpha-4,11-diene synthase，ADS）的催化作用下生成紫穗槐二烯，紫穗槐二烯由细胞色素 P450 单氧化酶（ cytochrome P450 monooxygenase，CYP71AV1）催化，经3步氧化，分别生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸。
FPP的形成是青蒿素生物合成的第一个特异性步骤，2010年Schrameks等通过13CO2同位素标记证明，FPP由2份来源于MVA途径的异戊二烯和1份来源于MEP途径的异戊二烯形成，因此MVA途径在青蒿素生物合成中起主要作用。以FPP为分界线，FPP之前的步骤被认为是青蒿素生物合成的上游途径，FPP之后的步骤被认为是青蒿素生物合成的下游途径。
青蒿素上游合成途径已经比较清楚，但下游途径仍存有争议。目前主要有2种观点：（1）青蒿醛在青蒿醛双键还原酶［artemisinic aldehyde delta-11(13)reductase，DBR2］的作用下生成二氢青蒿醛，二氢青蒿醛在醛脱氢酶 1（aldehyde dehydrogenase 1，ALDH1）催化下形成二氢青蒿酸（dihydroartemisinic acid，DHAA），DHAA 为青蒿素的直接前体，在光氧化的作用下，DHAA 最终生成青蒿素；（2）青蒿酸经光氧化反应生成青蒿素 B，再进一步生成二氢青蒿素B，最终形成青蒿素。
分别看上游途径与下游途径：
青蒿素的上下游原料信息如下：
图片来源：摩熵化学（MolAid）
04青蒿素合成生物学研究
青蒿素的合成生物学研究是伴随其生物合成途径的逐步阐明而发展起来的。由于从青蒿酸/二氢青蒿酸形成青蒿素的途径不是很清楚, 现在通过合成生物学技术制备青蒿素的研究绝大部分采用的都是一种半合成的路线。即通过代谢工程制备青蒿素的前体如紫穗槐二烯、青蒿酸和二氢青蒿酸，然后通过半合成的方法合成青蒿素。青蒿素合成生物学的研究从以下几个方面着手：
（1）底盘细胞的筛选
（2）中间代谢途径选择
（3）基因组修饰、改良
（4）培养和生产条件优化
05合成生物学优势与难点
a. 优势
大多数药用天然产物在植物中含量低微，提取分离困难；而且这些化合物一般结构复杂，化学合成难度大，还容易造成环境污染。基于合成生物学技术获得药用天然产物具有绿色环保和可持续发展等优点。随着基因组学和蛋白质组学的发展，药用天然产物生物合成途径逐渐被解析，通过合成生物学方法，即利用微生物细胞工厂异源生产天然药物已成为研究热点。微生物繁殖速度快，生长周期短，发酵工艺成熟，且产物易于提取分离，生产成本低，因此通过微生物细胞工厂生产药物被认为是解决药物稀缺问题的可行方法。
b. 难点
- 复杂的生物合成途径
- 基因在异源宿主的表达与调控
- 菌株发酵工艺条件的优化
- 工业化生产规模的技术转移
- 方法的稳定与可复制性
参考文献：
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