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《近十年天然产物药物的生物合成研究进展》全文详细总结 一、论文基础信息 1.作者与单位：冯金、潘海学、唐功利（通讯）；依托中国科学院大学杭州高等研究院、中科院上海有机化学研究所生命过程小分子调控全国重点实验室。 2.期刊与发表：《合成生物学》特约评述，DOI：10.12211/2096-8280.2023-092。 3.研究时间窗口：聚焦2014.1—2023.10十年间 FDA 获批天然 / 半合成天然药物，同步梳理同期经典老药的生物合成突破性进展。 4.核心研究目的：系统分类总结各类天然药物生物合成通路、关键酶与催化机制；梳理基因组时代挖掘技术；为新药挖掘、生物制造、组合合成提供理论参考。 二、绪论：天然产物药物发展脉络、优势与现存挑战 （一）发展阶段变迁 1.古代应用阶段：我国《五十二病方》《神农本草经》等古籍记载数千种天然药用动植物，依靠传统提取入药。 2.经典分离时代（近代）：分离吗啡、奎宁、麻黄碱单体；青霉素开启抗生素黄金时代，大幅提升人类寿命。 3.基因组挖掘新时代（20 世纪末至今）依托基因组、转录组、生物信息学工具（BLAST、antiSMASH、MIBiG、机器学习工具 DeepBGC/metaBGC），预测超百万条生物合成基因簇（BGC）；发展基因敲除、异源表达、表观遗传激活沉默基因等挖掘手段。现状：仅 5%~15% 植物、1% 细菌、5% 真菌被系统研究，海洋微生物天然产物资源几乎未开发，巨大潜力待释放。 （二）天然产物药物核心优势 相较于纯化学小分子库：骨架复杂度、化学空间覆盖更广；天然进化赋予靶向微生物 / 肿瘤的独特活性，在抗感染、抗肿瘤药物中不可替代。 （三）研发核心瓶颈 1.微量天然产物分离困难，重复分离已知化合物； 2.复杂天然产物化学全合成成本极高、步骤繁琐； 3.野生来源含量极低，工业化提取受限，90 年代药企缩减天然产物研发投入； 4.构效关系研究缺少大量衍生物材料。 （四）技术破局方向 基因组挖掘、多组学联合、微生物异源合成、体外多酶催化、AI 辅助预测等技术兴起，重新激发天然产物新药研发热潮，尤其多重耐药菌抗生素领域。 三、近十年 FDA 获批天然产物药物整体统计分析 1. 总体数据 2014–2023 年 FDA 共 331 个新药分子实体，天然 / 半天然衍生物 28 个，占 8.5%，分为两大类： •纯天然产物新药（9 款，32%）：无化学修饰，直接天然来源，以动物 / 人体类固醇、微生物 / 植物聚酮、非核糖体肽为主，代表：牛磺熊去氧胆酸（TUDCA）、大麻二酚 CBD、曲贝替定。 •天然前体半合成新药（19 款，68%）：天然骨架经化学修饰优化活性 / 药代，如瑞扎芬净、青蒿琥酯、来法莫林。 2. 结构类型分布（纯天然药物细分） 类固醇 18%、聚酮 7%、肽 4%、非核糖体肽 3%；半合成覆盖萜、氨基糖苷、四环素、β- 内酰胺、木脂素、生物碱等多类骨架。 3. 药物来源与适应症覆盖 •人体内源类固醇：调节激素、休克升压； •动物胆汁酸：肝病、减脂、神经退行性疾病； •植物：抗癫痫、抗疟、抗肿瘤； •陆生微生物：抗菌、抗真菌、抗炎、减肥； •海洋共生菌：抗肿瘤（曲贝替定）； •共生线虫菌：皮肤病（本维莫德 Tapinarof）。 4. 经典老药同步梳理 早年获批（1941–1999）但近十年生物合成取得重大突破药物：紫杉醇、长春花碱、吗啡、秋水仙碱、东莨菪碱、奥利司他、依托泊苷、维生素 B12 等，重点解析缺失通路酶、实现微生物从头合成。 四、各类天然产物药物生物合成细分进展 （一）类固醇类（获批数量最多，内源 / 动物胆汁酸、激素） 1. 胆酸、去氧胆酸（2015 获批） •功能：胆酸治疗胆汁合成障碍；去氧胆酸注射溶脂改善双下巴。 •合成通路：以胆固醇为原料，肝脏 4 条合成途径（中性途径占 90%），限速酶 CYP7A1（胆固醇 7α 羟化酶）；初级胆汁酸经肠道微生物 7α- 脱羟基生成次级去氧胆酸；关键修饰酶 CYP8B1、AKR 家族、CYP27A1 等。 2. 牛磺熊去氧胆酸 TUDCA（Relyvrio，2022，渐冻症用药） •来源：黑熊肠道特有高丰度胆汁酸，人体含量极低；核心抗凋亡、抑制内质网应激。 •合成路径：体内：TCDCA 经 BSH 脱牛磺酸→CDCA；7α-HSDH/7β-HSDH 两步差向异构生成 UDCA；BAL+BAT 重新结合牛磺酸得 TUDCA；体外：双酶一步转化 TCDCA，工艺更简便。 •近十年突破：宏基因组从黑熊肠道挖掘新型 7α/7β-HSD；实现大肠杆菌、酵母异源合成；固定化双酶体系大规模体外制备；改造 7β-HSD 辅因子偏好（NADPH→廉价 NADH）降低生产成本。 3. 普拉睾酮（DHEA）、雌四醇 E4 •DHEA：肾上腺 C19 类固醇，胆固醇合成，用于绝经阴道萎缩； •雌四醇：唯一胎儿肝脏特异性雌激素，两条羟基化合成通路，新一代低风险口服避孕药原料。 （二）聚酮及脂肪酸类（微生物 / 植物来源抗炎、抗癫痫、减肥药） 1. Tapinarof（本维莫德，2022 银屑病外用药，发光杆菌共生代谢物） •独特：唯一革兰氏阴性菌来源二苯乙烯，植物同类靠Ⅲ 型 PKS，细菌通路完全不同。 •合成核心：两条前体支路1）苯丙氨酸→肉桂酰 - CoA；2）亮氨酸→异戊酰 - CoA；双底物经 StlD（酮合酶）、StlC（环化酶）连续 Claisen 缩合 + Michael 加成、芳构化生成骨架；解析 StlD 晶体，发现全新 Glu154 催化三联体机制，区别传统 Cys-His-Asn。 2. 大麻二酚 CBD（Epidiolex，2018 抗癫痫） •植物合成核心两步酶：TKS（四酮合酶）+OAC（橄榄酸环化酶）协同生成橄榄酸； •分支：橄榄酸异戊烯基化生成 CBGA，CBDAS 黄素酶区域选择性环化生成 CBDA，加热脱羧得 CBD；THCAS 底物相同但质子提取位点不同，生成 THC； •合成生物学突破：Keasling 团队 2019 酵母从头合成全部大麻素；无细胞酶催化体系产量达 0.5g/L，规避种植法律限制。 3. 奥利司他（老药，减肥，利普司他汀半合成衍生物） •前体利普司他汀来自毒三素链霉菌，核心β 内酯是脂肪酶抑制活性关键； •重大突破：2014 鉴定完整 lst 操纵子；发现独特异源二聚体 KASⅢ（LstA-LstB），催化 C8、C14 脂肪酸非脱羧 Claisen 缩合（普通 FabH 为脱羧型），填补脂肪内酯合成机制空白。 （三）非核糖体肽类（海洋抗肿瘤、抗真菌环肽） 1. 曲贝替定 ET-743（2015，首个海洋共生菌抗肿瘤药） •真实产菌：海鞘体内共生γ 变形杆菌Candidatus Endoecteinascidia frumentensis，而非海鞘本身； •骨架组装：3 套 NRPS（EtuA1/A2/A3），前体丝氨酸、羟乙酰单元、双分子修饰酪氨酸；多次 Pictet-Spengler 环化构建五环四氢异喹啉骨架；多步 P450 氧化、甲基转移、硫醚环修饰得到终产物；与番红霉素、萘啶霉素通路高度同源，可互相借鉴酶机制。 2. 瑞扎芬净（2023 抗真菌，棘白菌素 B 半合成） •棘白菌素 B 真菌 NRPS 六模块环脂肽，关键氨基酸 L - 高酪氨酸由 HtyABCD 酶系独立合成； •后修饰：EcdG/H/K/HtyF 多型加氧酶分步羟基化修饰环肽骨架；基因簇进化分析显示 2.9–3.9 亿年前真菌分支分化；异源改造大幅提升发酵产量。 （四）木脂素类：依托泊苷（抗癌老药，鬼臼毒素半合成） •前体鬼臼毒素来自桃儿七木脂素；2015–2019 重大突破：Sattely 团队完整鉴定 10 余种通路酶（DIR、CYP450、2-ODD 双加氧酶、甲基转移酶）；在烟草异源重构，毫克级生产依托泊苷苷元，省去化学差向异构步骤，简化半合成工艺。 （五）生物碱类（抗肿瘤、镇痛、抗炎经典植物药，近十年通路重大补全） 1. 长春花碱 / 长春新碱（抗癌） •双单萜吲哚生物碱二聚体；2018 发现缺失氧化还原酶 PAS/DPAS，打通 stemmadenine→长春质碱 / 水甘草碱关键步骤；2022 酵母从头合成两大单体，体外偶联得到长春花碱；毕赤酵母实现长春质碱高产（2.57mg/L）。 2. 秋水仙碱（痛风抗炎） •2020 完整解析通路：苯丙氨酸 + 酪氨酸经 Pictet-Spengler 缩合，多步甲基化，CYP71FB1 催化独特扩环生成七元环骨架；烟草异源重构前体 N - 去甲秋水仙素。 3. 吗啡 / 可待因（镇痛阿片） •关键突破：2015 发现融合酶 STORR，完成 (S)- 牛心果碱→(R)- 牛心果碱差向异构（通路卡点）；2019 鉴定 NISO 异构酶，大幅提升酵母可待因产量。 4. 东莨菪碱（抗晕动） •发现罕见Ⅲ 型聚酮合酶 PYKS 构建托品烷母核；UGT、LS 酶解决酯键合成难题；2020 酿酒酵母实现从头全合成，滴度 6mg/L。 （六）萜类：来法莫林（2019 肺炎抗生素，截短侧耳素半合成） •前体截短侧耳素是真菌二萜，GGPP 经 Ple3 萜合酶 5/6/8 三环环化；Ple5/6/Ple7/Ple1 分步羟基、氧化、乙酰修饰；米曲霉异源表达产量提升 21 倍，开发大量新型抗菌衍生物。 （七）肽类（人体内源）：血管紧张素Ⅱ（2017 休克升压药） 肝脏血管紧张素原经肾素切为十肽 AngⅠ，ACE 酶切除末端二肽生成活性 AngⅡ，调控血管收缩与醛固酮分泌。 （八）其他重要老药合成进展 1.维生素 B12：2018 大肠杆菌从头合成，发酵产量提升 250 倍；2023 构建 36 酶体外无细胞合成系统； 2.紫杉醇：红豆杉基因组解析；改造大肠杆菌 P450 实现紫杉烷前体高产；烟草叶绿体代谢工程合成 5α- 羟基紫杉二烯； 3.拓展明星天然产物：石杉碱甲、银杏内酯、普利提环肽（抗新冠潜力）的生物合成机制同步综述。 五、天然产物药物研究技术革新总结 1.基因组挖掘体系：BGC 预测工具（antiSMASH、MIBiG）、宏基因组挖掘（如黑熊肠道 HSD 酶）、沉默基因激活（CRISPR、全局调控过表达）； 2.多组学联合：转录组 + 代谢组快速锁定植物缺失通路酶（秋水仙碱、依托泊苷、长春花碱）； 3.异源合成底盘：酵母、大肠杆菌、米曲霉、烟草、毕赤酵母，实现植物 / 微生物复杂天然产物从头合成； 4.体外无细胞多酶催化：大麻素、TUDCA、维生素 B12 绿色量产，不受宿主代谢调控限制； 5.蛋白工程：定向进化、理性改造改变酶底物 / 辅因子偏好（7β-HSD、StlD、CYP450）； 6.AI 与自动化平台：机器学习预测基因簇、自驱动高通量筛选，加速新型抗生素挖掘。 六、现存挑战与未来发展展望 （一）现存核心问题 1.大量海洋、稀有微生物、植物 BGC 功能未解析；共生菌（曲贝替定产菌）难以纯培养； 2.复杂多步通路异源表达产量低，P450 膜酶表达瓶颈； 3.多数天然产物生物合成调控网络不明，难以高效放大发酵； 4.新型天然产物筛选仍存在重复分离问题。 （二）未来研究方向 1.资源挖掘重心转移：海洋微生物、极端环境菌、植物内生菌、共生微生物，开发新型抗感染（抗耐药菌）、抗肿瘤先导； 2.合成生物学制造：构建微生物细胞工厂替代野生提取，解决濒危植物（红豆杉、桃儿七）资源短缺；体外多酶体系实现绿色工业化； 3.组合生物合成创新：混搭不同来源 BGC / 酶，构建非天然天然产物，拓展构效关系，开发衍生物库； 4.技术融合：多组学 + AI + 自动化高通量筛选，建立从基因→通路→产物→活性的全流程快速筛选；CRISPR 激活沉默次级代谢基因； 5.临床转化导向：针对耐药菌、罕见病、神经退行性疾病（如 TUDCA 渐冻症）开发天然产物新药，弥补化学药物短板。 七、论文整体价值 1.数据整合：首次系统汇总 2014–2023 全部 FDA 天然 / 半天然新药，按骨架分类梳理完整生物合成通路，形成领域全景综述； 2.机制汇总：系统收录近十年关键新型酶（融合酶 STORR、Ⅲ 型 PKS PYKS、异源二聚 KAS LstAB 等）独特催化机理； 3.工程化参考：大量异源合成、体外催化、蛋白改造案例，为天然产物工业化生产提供完整技术路线； 4.方向指引：明确基因组挖掘、合成生物学是天然药物研发核心突破口，为抗耐药抗生素、抗肿瘤新药开发提供理论支撑。 生物智能：在生物先进产业场景中构建“状态感知-实时认知-自主决策-精准执行-学习提升”的生物科学智能（NeuroAI）；实现生物产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。 生物产业+物理AI=生物智能 产业智能官：NeuroAI 加入知识星球“生物智能研究院”：自动化生物铸造厂OT技术（自动化+机器人+工艺+精益）和新一代IT技术（云计算+物联网+区块链+大数据+人工智能）深度融合，在场景中构建“状态感知-实时认知-自主决策-精准执行-学习提升”的生物科学智能（NeuroAI）；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。 生物科学智能作为第四次工业革命的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎；重构设计、生产、供应链和服务等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态和新模式；引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。 产业智能化技术分支用来的今天，从业者必须了解如何将生物科学智能（NeuroAI）全面渗入整个公司、产品、业务等商业场景中，利用生物科学智能（NeuroAI）形成数字化、网络化和智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和焕然新生。 版权声明：产业智能官（ID：NeuroAI）发表的文章，除非确实无法确认，我们都会注明作者和来源，涉权请联系协商解决，联系、投稿邮箱：wolongzy@qq.com