摘要：抗癌药物紫杉醇的问世曾改写肿瘤治疗史，但其复杂的分子结构却为工业化生产设下天堑。这个拥有 11 个立体中心和独特四环骨架的分子，在自然界中由红豆杉历经数年缓慢合成，在实验室同样艰难，化学全合成少则 20 步，多则 60 步反应，总收率不足万分之一。
抗癌药物紫杉醇的问世曾改写肿瘤治疗史，但其复杂的分子结构却为工业化生产设下天堑。这个拥有 11 个立体中心和独特四环骨架的分子，在自然界中由红豆杉历经数年缓慢合成，在实验室同样艰难，化学全合成少则 20 步，多则 60 步反应，总收率不足万分之一。
如今，全球每年的紫杉醇需求仍依赖从红豆杉树皮提取中间体巴卡汀 Ⅲ 的半合成工艺，每生产 1 公斤药物需要砍伐成百上千颗野生红豆杉，同时伴随二氯甲烷等有毒溶剂的使用。这种“杀鸡取卵”式的生产模式，迫使科学家寻找更可持续的解决方案。
近日，哥本哈根大学 Sotirios Kampranis 团队在 Nature Synthesis 发表的突破性研究“Elucidation of the final steps in Taxol biosynthesis and its biotechnological production”，首次揭开了紫杉醇生物合成最后两块拼图的神秘面纱。通过利用基因共表达分析、化学合成的中间体和模块化重构策略，他们不仅发现了催化最后两种修饰的关键酶 T2’OGD 与 T3’NBT，这两种修饰对于紫杉醇的活性至关重要；同时在酵母中重建了从中间体巴卡汀 Ⅲ 到紫杉醇的合成途径。这项工作提供了对紫杉醇生物合成的完整理解并为其生物技术生产奠定了基础。
在巴卡汀 III 转化为紫杉醇的过程中，有五个假定的酶促步骤：α-苯丙氨酸异构化为 β-苯丙氨酸，辅酶 A (CoA) 活化 β-苯丙氨酸，将 β-苯丙氨酸部分加成到巴卡汀 III 的 C13 位，氧化 C2′ 处 β-苯丙氨酰侧链，以及在其 3′-N 位上添加苯甲酰基。
其中，C2′ 处 β-苯丙氨酰侧链的氧化和 3′-N 位上添加苯甲酰基的酶——始终不明。此前研究推测细胞色素 P450 酶 TB506 负责羟基化，苯甲酰转移酶 DBTNBT 完成最终修饰，但这些假说从未被直接验证。研究团队采用“边构建边验证”的策略，在烟草叶片中重构已知路径时发现：当引入 TB506 时，关键中间体 N-去苯甲酰紫杉醇（3）的产量与空白对照组无异，质谱检测显示该酶根本不具备预期活性。
为寻找真正的催化酶，科学家转向红豆杉基因组大数据。通过对云南红豆杉、西藏红豆杉等 3 种紫杉醇生产物种的转录组分析，他们发现 2-酮戊二酸依赖的双加氧酶（OGD）家族中某个成员与已知合成基因高度共表达。当将该酶（命名为 T2’OGD）导入烟草体系时，原本停滞的反应链条突然贯通，N-去苯甲酰-2’-脱氧紫杉醇（2）生成目标产物。这解释了为何过去在植物提取液中总能检测到羟基化产物：OGD 家族酶普遍存在于植物细胞中，容易造成实验假象。
苯甲酰化步骤的真相更令人意外。虽然旧假说中的 DBTNBT 在体外实验中表现出微弱活性，但在烟草体系中其贡献几乎被本底噪音淹没。研究团队通过筛选 25 个 BAHD 家族酰基转移酶，最终锁定 T3’NBT，这个新发现的酶使苯甲酰化效率飙升 280 倍，每克叶片湿重紫杉醇的产量达到 1.99 ± 0.19 µg。
图 | 紫杉醇生物合成的最后步骤
理论突破需要转化为生产力。研究团队选择酿酒酵母作为生物制造平台，这个底盘细胞曾成功生产青蒿酸等复杂分子，但其对植物来源酶的兼容性仍是重大挑战。首当其冲的问题是侧链装配酶 BAPT：在烟草中能转化 60% 底物的该酶，在酵母中活性骤降至 0.001%。通过理性设计，科学家将 36 个可能影响蛋白溶解度的氨基酸残基进行替换，创造出突变体 BAPTm，产量提升 27%；进一步融合麦芽糖结合蛋白（MBP）后，N-去苯甲酰-2’-脱氧紫杉醇（2）的产量比原始体系提高77%。
随着 T2’OGD 和 T3’NBT 的加入，合成链条逐步完善。但新瓶颈随之浮现：酵母内源的苯甲酰-CoA 供应严重不足。研究团队从矮牵牛中引入一条人工代谢途径——苯丙氨酸脱氨酶（PAL）将苯丙氨酸转化为肉桂酸，随后经三步 β-氧化生成苯甲酰-CoA。这套外源模块使紫杉醇产量达到 0.97 μg/L，证明细胞代谢流的精细调控对生物合成至关重要。
在解析人工体系的同时，研究团队还揭开了红豆杉合成紫杉醇的自然智慧。传统线性路径认知被彻底颠覆：10-去乙酰巴卡汀 Ⅲ 既可通过乙酰化生成巴卡汀 Ⅲ 进入主路径，也能直接装配侧链形成 10-去乙酰-N-去苯甲酰-2’-脱氧紫杉醇（6），再经羟基化、苯甲酰化后统一汇入终产物。这种“条条大路通罗马”的代谢网格结构，既提高了合成鲁棒性，也解释了为何红豆杉树皮中能检测到上百种相关代谢物。
图 | 通过引入最终合成步骤和构建苯甲酰-CoA 生产模块，成功在酵母中实现了从巴卡汀Ⅲ到紫杉醇的生物合成
相较于现有工艺，该生物合成体系展现出三重优势：原料可从可再生种植的红豆杉针叶中获取，未反应的中间体可循环利用；反应全程在水相中进行，避免使用氰化钠等剧毒催化剂；酵母发酵工艺具备理论上的无限扩展性。尽管当前产量距离工业化仍有差距，但关键酶系的鉴定为后续优化指明方向——通过定向进化提升 BAPT 活性、挖掘红豆杉天然 CoA 连接酶库、优化跨膜转运效率，都可能将转化率提升数个数量级。
这项研究印证了合成生物学“向自然学习，再超越自然”的核心哲学。当化学合成在紫杉醇的复杂结构前败下阵时，科学家回归生物系统解码进化三十亿年锤炼的分子机器，再用工程学思维重组这些部件。正如紫杉醇分子中那个决定抗癌活性的 C13 侧链，科学突破往往也需要在正确的位置添加关键要素，这一次，T2’OGD 与 T3’NBT 的发现，正在为抗癌药物的可持续发展注入新的生命力。
参考链接：
1.Liang, F., Xie, Y., Zhang, C. et al. Elucidation of the final steps in Taxol biosynthesis and its biotechnological production. Nat. Synth (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00800-z
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来源：生辉SciPhi
