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专访山东大学李盛英丨利用细菌来源P450酶体外模拟肝脏药物代谢过程，可用于新药安全性分析，并已建立合成生物学催化元件综合研发平台

cici 生辉SynBio 2023-05-13
收录于合集
#P450 1 个
#合成塑料降解酶 1 个


“若在 21 世纪的前 20 年，大家或许认为 '21 世纪是生物学的世纪 ' 不太现实，但随着合成生物学的发展，相信接下来的时间会逐渐让这句话成真。” 这是李盛英教授上合成生物学课程常见的开场白。

1996 年，还在上高中的李盛英因参加生物奥赛获奖被保送到厦门大学生命科学学院生物学基地班，在此一待就是 7 年，2004 年前往美国密歇根大学药学院药物化学系读博，2012 年回到祖国任中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，并在此创建了山东省合成生物学重点实验室，2018 年调动到山东大学，现为山东大学微生物技术国家重点实验室教授。

李盛英目前主要围绕细胞色素 P450 酶进行研究，同时也涉及微生物天然产物的生物合成和工业微生物菌株改良，目前其带领的实验室同时进行多个大型项目，包括碳 - 氢键选择性氧化 P450 酶的人工设计与定向进化以及合成塑料降解菌 / 酶的发现与鉴定。

细胞色素 P450 酶：
是以血红素作为辅因子的一个庞大的酶超家族。在哺乳动物中，这类酶氧化类固醇、脂肪酸以及异生物质（如药物、毒素等），对清除各种化合物以及激素合成和分解都很重要；在植物中，这些蛋白质对于防御性次级代谢产物、脂肪酸和激素的生物合成十分重要。P450 酶已在所有生命界中被发现，包括动物、植物、真菌、原生生物、细菌、古菌以及病毒。

随着基础研究成果的积累，李盛英逐渐开始 P450 酶相关的产业转化。目前，该团队正在与安琪酵母合作开展微生物催化与转化项目，即利用微生物将一些植物提取的天然产物转化成具有更高附加值的香料或其它精细化学品。

为此，生辉 SynBio 邀请到了李盛英跟我们分享他的研究内容。

细菌来源的 P450 酶制备药物代谢产物

药物代谢是指药物在体内多种药物代谢酶（尤其肝药酶）的作用下化学结构发生改变的过程。药物在体内代谢后的结果通常有两种：一是失活，成为无药理活性的药物代谢物被降解或排出体外；二是活化，由无药理活性成为有药理活性的代谢物或产生有毒或致癌的代谢物。

人类药物代谢物是广泛用于药物相关研究的重要化学品。新药在报批上市前，必须理清药物代谢物的结构和组成，所以制备鉴定药物代谢产物为必不可少的环节。

细胞色素 P450 酶是常见的药物代谢酶，该酶因其还原态与一氧化碳结合后在波长 450 纳米处有最大吸收峰而得名。

李盛英介绍道，“在生物界以及合成生物学领域，P450 酶是一种非常重要的生物催化元件，在绝大多数生物体内存在，广泛参与多种微生物天然药物的生物合成过程；并且是植物界中最大的基因家族，很多药用植物活性成分的生物合成途径涉及大量的 P450 生物催化元件。众所周知，我们国家非常重视中医药研究，而研究这些中医药的活性成分及其代谢产物几乎不可能绕过 P450 酶 。”

图丨细胞色素 P450 酶经典催化循环（来源：研究论文）

制备药物代谢产物的传统方法有两种，一种是有机合成，在一些特定的位点加上羟基或环氧基等氧化性基团，这种碳氢键的选择性氧化在有机合成领域极具挑战，被称为该领域的 “圣杯”，其难点在于位点和立体选择性难以精确控制；

另外一种方法是体外培养人体的肝脏细胞，然后将药物加到培养物里，利用人类本身的 P450 酶催化产生代谢物，目前很多大药厂都在采用这种方法，但此方法的问题在于体外培养正常肝脏细胞较难，由于肝脏的 P450 酶是膜蛋白，因此只能小规模制备，而且培养肝脏细胞的成本较高。

针对这两种传统方法的痛点，李盛英团队开发了一种细菌来源的 P450 酶 ——PikC，以此来模拟人类肝脏 P450 酶代谢药物的催化行为。

“为什么要选用细菌来源的 P450 酶？” 生辉 SynBio 抛出了问题。

“原核生物（细菌）的 P450 酶是可溶性蛋白，它不跟膜结合，而且细菌 P450 酶可以方便地通过发酵进行工业化生产，在大量制备和表达的过程中有着得天独厚的优势。” 李盛英解释道。

PikC 是李盛英从博士阶段就一直研究的，来源于链霉菌的一种 P450 酶，其展现了较好的底物宽泛性，可通过识别双烷基氨基结构单元与底物结合，且表达和催化活性较好。该团队选取了 19 种含双烷基氨基的抗抑郁或抗肿瘤代表性药物，发现 PikC 可以识别其中的 15 种，且产物谱与人体 P450 酶代谢的产物高度相似。

“该研究的最大价值在于创造了一种低成本、高效的方法来制备人体药物代谢产物。目前只是一些已知药物，未来会逐步扩展到新药开发，制备临床实验药物代谢物是进行新药开发的必要过程。”

“变找为造，找造结合”

从事 P450 酶研究十多年，李盛英团队已打造了一个 P450 酶的综合研发平台，并在合成生物学架构下建成了两大元件库。“其中一个是 P450 元件库，该元件库中含有 4 万多个有效的 P450 元件；另一个是库容超过 3000 个的还原伴侣库，已向全球六十多家科研机构输出，并帮助许多对 P450 酶感兴趣的学者完成了相关研究工作。国内学者对于 P450 酶的研究起步较晚，我们非常乐于分享我们对于 P450 酶长期研究过程中所产生的认识、方法、工具和材料。”

目前李盛英团队计划建设一个高通量的自动化筛选平台，以应对当前科研和工业界对优质 P450 催化元件的大量需求。

“如何打造高通量筛选平台？” 生辉 SynBio 问道。

李盛英说道，“我们的研发理念是‘变找为造，找造结合’，过去常通过在自然界中筛选微生物和植物来源的天然元件以寻找某个催化目标反应的 P450 酶。但随着合成生物学的发展，尤其蛋白质设计和定向进化方法的进步，目前已初步实现根据一些目标反应，用蛋白质设计和高通量筛选结合的方式来获得一些非天然的催化元件。我们的终极目标是实现 P450 催化元件的按需订制。”

除了 P450 酶，该团队正在进行的 “合成塑料降解菌 / 酶” 的国家重点研发项目也应用了上述理念。

塑料降解是全球重大难题之一，从印度恒河到英国泰晤士河，成千上万吨的塑料垃圾被抛弃在自然中。据统计，人类社会每年向海洋中抛弃 800 万吨塑料垃圾，其中最大一块漂浮在海上的塑料垃圾面积如同三个法国国土面积，这些漂浮在海洋上的垃圾被称为第 8 大陆。

我国是全世界最大的塑料生产国。2020 年中国塑料制品产量 7603.2 万吨，较上年减少 581.0 万吨，同比下降 7.1%，其中 12 月中国塑料制品产量为 775 万吨，同比增长 0.3%。

图丨 2000-2020 年中国塑料制品产量及增速（来源：东吴证券研究所）

结合当前塑料污染现状和国家号召，治理塑料垃圾问题刻不容缓。塑料包括两大类，一类是通过碳 - 碳成键聚合的塑料，包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）等；另一类是通过碳 - 氧或碳 - 氮（酯键）成键聚合的塑料，包括聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）、聚氨酯（PUR）等。常见的塑料降解方式有光降解、氧降解和酶降解等。

光降解、氧降解等属于化学降解方法，难以对塑料进行彻底降解；酶降解属于生物降解方法，具有降解彻底、环保等优点，可以实现塑料的完全矿化，不会造成二次污染，酶降解塑料正是李盛英团队的研究重点。

李盛英表示，“塑料降解酶一直存在于自然界中，2012 年，来自大阪大学的 Shigenori Kanaya 等研究人员在堆肥中发现了一种角质酶（LCC），可以切断酯键，将 PET 塑料分解为对苯二甲酸和乙二醇。后期研究发现，碳 - 碳成键的塑料降解酶可能与 P450 酶具有一定的关联，PE 塑料经解聚酶作用降低聚合度后，成为了与石油成分类似的长链烷烃或烯烃，P450 酶与其他酶系结合有望对长链烷烃或烯烃进行进一步的氧化性降解。”

“酯键成键的塑料降解酶其实就是一些水解酶，而碳 - 碳成键的塑料降解酶则通常是氧化还原酶，从化学原理来看后者的断键、解聚及降解更具挑战。这两类降解酶都能在自然界中找到，我们需要做的是通过到不同的环境中采样，采用特殊的富集和筛选方法将菌 / 酶筛选和鉴定出来。”

他补充道，“在寻找的过程中，我们发现酶降解塑料的速度非常缓慢，通常五、六十天才能看到比较明确的实验结果。我的研究组接触塑料降解酶的时间不长，但在过去两年多的时间里，通过高效富集筛选、蛋白质理性设计以及基于高通量筛选定向进化方法的构建，已经获得了若干 PET 塑料（C-O 成键聚合）降解活性大幅提升的工程酶以及多株能够有效降解 PE 和 PS 塑料（C-C 成键聚合）的微生物菌株，并已申请专利保护，期待很快会有一些重要成果发表。”

利用微生物来源的菌 / 酶降解塑料前景无限广阔，除了可观的经济效益，还具有极高的社会效益。具有生物安全性的高效塑料降解菌 / 酶有可能破解废旧塑料收集难题，实现塑料污染物的原位降解，李盛英表示，“酶降解可能也存在高成本问题，所以最终实现路径可能还将是包含塑料降解工程酶类的微生物降解或是菌 / 酶协同降解。”


参考文献：
  • https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34662127/
  • http://www.eeg-sdu.cn/


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