自動加氟的大腸桿菌助理藥物開發(fā)

點擊次數：17250 發(fā)布時間：2013/10/9 14:19:28

氟（fluorine）是一種非常活潑的元素，很多含氟的化合物都是有毒的，所以這種元素基本上也是與生物學絕緣的。但是開發(fā)新藥的化學家們卻非常喜歡它。2012年全世界*暢銷的10款藥物中有3種都含有氟，這3種藥物的總銷售額已經超過了200億美元。通過添加氟，化學家們能夠對藥物的特性進行微調，幫助這些藥物特異性地與靶標結合，或者避免被各種酶降解，亦或是幫助藥物透過脂質的細胞膜。這種修飾方法對于小分子藥物特別管用，但是當氟被添加到大分子藥物，比如紅霉素（erythromycin）或其它由生物體合成的大分子上之后往往就會適得其反，破壞這些分子的功能。

現(xiàn)在，化學家們對天然產物的調控作用又可以邁上一個新臺階了，這種方法就是讓生物體自己添加氟。本期《科學》（Science）雜志將介紹美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）以及美國斯坦福大學（Stanford University in Palo Alto, California）的科研人員們的科研成果，他們對細菌進行了改造，讓細菌能夠合成一種關鍵的、含有氟元素的原材料，然后細菌還能夠將這種原料摻入一類統(tǒng)稱為聚酮（polyketides）的化合物當中。聚酮化合物包括分屬于不同類型的2萬多個分子，如聚醚、聚烯等，是細菌、真菌、動物等產生的二級代謝產物，其中包含有*強勁的抗生素、抗真菌藥物和抗寄生蟲藥物等成分。

“這個工作讓我們激動萬分。要知道氟在醫(yī)藥化學領域里一直都扮演著非常重要的角色。”美國伊利諾伊大學（University of Illinois, Urbana-Champaign）的化學家Wilfred van der Donk這樣評價道。很多復雜的天然物質都是很有潛力的藥物，只不過存在多方面的問題，比如毒性問題，或者在我們人體內的代謝速度非�？�，一下子就被清除掉了。雖然需要像對待小分子藥物那樣對這些天然成分進行人工改造，但化學家們還是非常樂于這么干的。van der Donk就介紹說：“如果我們能夠以極高的效率對這些天然物質進行人工改造，那么就等于擁有了大分子藥物和小分子藥物這兩個世界。”

諸如圖左所示的阿伐他�。╝torvastatin）這樣的降脂藥都會使用氟元素（圖中綠色所示）來改善藥物的特性，化學家們現(xiàn)在也可以對圖右所示的紅霉素等大分子藥物進行這種改造了

氟的醫(yī)藥價值應該是源自它極強的氧化特性，即從其它原子獲取電子，并形成穩(wěn)定化學鍵的能力。由于氟與碳之間形成的化學鍵非常牢固，所以這種有機化合物不太容易被P450酶降解，我們知道小分子藥物通常都對P450非常敏感，極易被其降解。同時氟元素的個頭又非常小，所以化學家們很容易在不改變分子整體形狀的前提下將其添加到同樣較小的氫原子或小甲基基團（-CH3）上�；衔锝涍^這種改造之后通常都能夠極大地提高其整體的電子穩(wěn)定性（electronic stability），更容易與脂質結合，從而透過富含脂質的細胞膜，進入細胞內部。

化學家們總喜歡在開發(fā)小分子藥物時在分子的特定位點上添加氟元素。但是對于大分子藥物則很難控制氟元素與大分子的結合位點。為了解決這個問題，加州大學伯克利分校的Michelle Chang和斯坦福大學的生化學家Chaitan Khosla等人對已經經過改造，用于生產多聚乙酰的大腸桿菌（Escherichia coli）又進行了兩個關鍵的改造。首先，經過他們的改造之后，細菌能夠對氟醋酸鹽（fluoroacetate）這種細菌通常都不愿意接觸的、比較便宜的含氟化合物進行處理。為了達成這個目的，Chang的攻關小組在細菌中插入了一個基因，該基因編碼的蛋白質能夠將氟醋酸鹽轉化成丙二酸單酰輔酶A（malonylcoenzyme A, malonyl-CoA）的氟化產物，而丙二酸單酰輔酶A是一種關鍵的多聚乙酰組份分子。

通常來說，大腸桿菌里的處理丙二酸單酰輔酶A的酶都會忽視氟化的丙二酸單酰輔酶A分子。所以Chang等人將天然的攝取丙二酰基的基因給突變掉，使其失活，然后再插入一個能夠處置氟化的丙二酸單酰輔酶A的基因。的是他們成功了。然后又對大腸桿菌進行了更進一步的改造，使其不僅能夠將氟化的丙二酸單酰輔酶A摻入多聚乙酰產物，而且還能夠控制氟元素在多聚乙酰分子中的摻入位點。van der Donk表示，對細菌進行這種改造真是一件讓他們倍感興奮的工作。

不過這并不意味著大功告成。大腸桿菌合成的多聚乙酰是雙環(huán)結構，這種結構對于藥用的多聚乙酰來說還是太簡單了。不過Chang也注意到，大腸桿菌會不斷在多聚乙酰上的添加氟化的丙二酸單酰輔酶A，然后再對多聚乙酰的分子結構進行重塑。“我們非常高興看到這種現(xiàn)象，這就是一個很好的基礎，能夠讓細菌合成出更有價值的化合物。” Chang介紹說。

這項工作不僅僅是有使用價值。能夠在大分子的特定位點上地添加氟元素的技術會給天然藥物帶來革命性的影響。我們每天使用的（小分子）藥已經證明了這一點。

原創(chuàng)作者：上海信帆生物科技有限公司