基因剪刀合成生物:把藥物種出來!

2021-01-09 互聯科技熱訊

2020年諾貝爾化學獎被授予法國女科學家埃瑪紐埃勒·沙爾龐捷和美國女科學家珍妮弗·道德納,以表彰她們在基因組編輯方法研究領域作出的貢獻。使得基因剪刀再次成為人們關注的熱點。

我們知道許多藥物都來自於植物,提取並濃縮其活性成分,精製成丸。而數千年來,人們都只使用酵母來發酵葡萄酒、釀造啤酒和發酵麵包,很少將其應用於生物用途。而現在,美國史丹福大學的研究人員,通過遺傳改造酵母,製造出了一種阿片類止痛藥,這一突破預示著,我們可以用一種更快和可能更便宜的方法,來生產許多不同類型的植物類藥物。

這項複合生物學壯舉發表於2015年一期Science雜誌上:通過導入來自植物、細菌和齧齒動物的21個基因,在酵母菌內建立起一條「藥物生產線」,可以將糖一步步轉化為蒂巴因(thebaine)——這是嗎啡的前體。該研究團隊還發現,進一步調整過的酵母可以產生氫可酮——一種廣泛使用的、由蒂巴因化學合成的止痛藥。

2016年CellGene雜誌刊登的美國百齡堂的專家關於合成生物的研究,更是讓基因剪刀首次應用到日常保健中來。專家通過姬松茸、藍莓、蟲草、蔓越橘、明日葉裡的多糖及黃酮和皂苷類基因,在酵母菌內轉化為新型β葡聚糖。其主要由D-葡萄吡喃糖以α,1→6鍵連接,支鏈點有1→2、1→3、1→4連接的,並且以β-1,3/-1,6結合,其活性超越傳統意義的酵母葡聚糖。發現其具有抗菌及免疫調節作用。可以迅速提升機體自身的免疫力,及防禦力,特別是應對抗衰老、腫瘤、肝炎、心血管、糖尿病、降血脂、等方面均有獨特的生物活性。

合成生物學是一個有趣的領域,科學家將各種生物的基因視作零部件,並像設計「電路」一樣將它們組裝起來,以完成設計人員設想的各種任務。此前,合成生物學家設計了一種能夠生產青蒿素(抗瘧疾藥物)的酵母菌,但這僅需要插入少數植物的基因。而這次則更複雜一些,生產蒂巴因(thebaine)需要導入來自不同物種的21個基因,而生產氫可酮更需要23個基因,而像百齡堂專家研究的營養補充劑類的則根據特定需求,需要數十個或上百個基因。這種過程就如同在家自己釀造啤酒一樣,也許未來可以用類似方法製造更多膳食補充劑或者藥物。

在生產藥物和疫苗時,製藥商開始將植物或植物細胞轉化為活化工廠,生產代謝產物和蛋白質。藉助CRISPR手段,科學家正在探究植物的基因調節方式、對外來分子的響應機制,及其DNA的自我修複方式。近來,已有美國、英國、德國、日本等全球眾多製藥公司致力於用「基因剪刀」研發特種植物,用來生產製造難度較高的藥物和疫苗。

基因剪刀一般指限制性核酸內切酶,又稱核酶或者限制酶。限制性核酸內切酶是由細菌產生的,其生理意義是提高自身的防禦能力。美國百齡堂的專家研究發現,限制性內切酶是可以識別並附著特定的脫氧核苷酸序列,並對每條鏈中特定部位的兩個脫氧核糖核苷酸之間的磷酸二酯鍵進行切割的一類酶。

根據限制酶的結構,輔因子的需求切位與作用方式,可將限制酶分為三種類型,分別是第一型(Type I)、第二型(Type II)及第三型(Type III)。Ⅰ型限制性內切酶既能催化宿主DNA的甲基化,又催化非甲基化的DNA的水解;而Ⅱ型限制性內切酶只催化非甲基化的DNA的水解。Ⅲ型限制性內切酶同時具有修飾及認知切割的作用。限制酶一般不切割自身的DNA分子,只切割外源DNA。

正是基於此,越來越多的科學家通過其特性,實現了提升機體免疫力,從而抵抗衰老、炎症、病毒、癌變及眾多特殊病症上成果斐然。特別是基於基因剪刀技術而進行的合成生物更是成為實現這一目標研究的熱點。

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