曼陀罗花 图片来源：搜狐因为曼陀罗的这种特质，所以古人很早就将她应用到了医药中。李时珍在《本草纲目·草部》中指出：“秋季采曼陀罗花，阴干，等分为末，热酒调服三钱，即昏昏如醉。割疮、炙火宜先服此，即不觉痛苦。”曼陀罗主要有镇静、麻醉的效用。随着现代医学的进步，科学家找到了曼陀罗中主要起作用的成分并将它分离出来，那就是：东莨菪碱。它在医学上有着无可撼动的地位，可用于麻醉镇痛、止咳、平喘，止吐以及治疗神经肌肉疾病等，被列入世卫组织基本药物标准清单中。
东莨菪碱的分子式
但是，一直以来，东莨菪碱的生产只能依赖于从植物中提取，效率低，成本高，并且难以满足人类的需要。
也许你会疑问，现在不是有合成生物学吗？
的确，合成生物学的核心是把化合物的合成途径整合到底盘细胞中，利用这个生长快速的底盘细胞作为“工厂”，从而达到化合物高效高产的目的。然而，尽管合成生物学已经发展了近50年，但是由于东莨菪碱的生物合成途径一直未被解析清楚，并且东莨菪碱作为植物来源，与之相关的途径酶很难装载在微生物细胞中，所以东莨菪碱一直未能成功人工合成。近日，发表在Nature上的一篇文章研究了药用托烷生物碱在酵母中的生物合成。茄属植物中的芦荟生物碱是神经递质抑制剂，用于治疗神经肌肉疾病，被世界卫生组织列为基本药物。茄属（Solanaceae），古柯（Erythroxylaceae）和旋草（Convolvulaceae）科的植物中都存在诸如可卡因和阿托品之类的生物碱（TAs），这些类型的药品会因为区域性事件等的整体增加导致供应短缺，例如澳大利亚野火和COVID-19等事件。
在本研究中，设计了一个包括五个功能模块的生物合成途径，用于从酵母中生产莨菪碱和东莨菪碱（图1）。模块I / II和III能够从头开始生物合成酰基受体和供体部分；模块IV使TA支架得以修饰以产生莨菪碱和东莨菪碱；模块V包含将上游酰基受体/供体生物合成与下游支架修饰连接的中央酰基转移酶反应。同时结合了功能基因组学来鉴定缺失的途径酶，结合蛋白质工程学通过转运到液泡来实现酰基转移酶的功能性表达，结合异源转运蛋白来促进细胞内转运，以及运用了菌株优化以提高响应值。
图1 包含五个模块的生物合成途径
最终菌株包含34个染色体修饰（26个基因以及8个突变基因），从而形成一个完整的全细胞系统，该系统可以在不同的亚细胞位置（胞浆、线粒体、过氧化物酶体、液泡、内质网和液泡膜）表达酶和转运蛋白。本研究将功能基因组学与合成平台相结合，确定了一种氧化还原酶，该酶可以催化莨菪碱和东莨菪碱的生物合成过程中剩余的未表征步骤。同时开发了一种N末端融合策略，以实现关键TA支架对酰基转移酶的功能表达。
图2 酰基转移酶的活性表达
通过酵母对莨菪碱和东莨菪碱进行总生物合成的表明，微生物发酵，目标化合物的生产相对于植物提取可以更加地节省时间、空间和各种资源，且可以运用在任何有需要的地方。同时，在封闭的生物反应器中进行培养还可以降低对环境的影响，并且提高目标化合物批次之间的一致性和活性成分的纯度。
