导语：合成生物学技术为药物生产带来新机遇，为医药健康事业带来新希望！
合成生物学作为一门融合生物学、基因组学、工程学和信息学的学科，正在引领着“第三次生物科学变革”。合成生物学在医药领域的应用主要体现在以下两个方面：手性医药化学品的绿色制造、植物天然产物的微生物重组合成。其通过定向设计和理性改造生物体，为解决全球气候变暖、实现碳中和目标以及推动医药、能源、材料等行业的产业升级提供了新的途径。接下来，我们将深入探讨合成生物学在医药领域的应用进展，重点关注手性医药化学品的绿色制造和植物天然产物的生物制造。
一、手性医药化学品的绿色制造：生物催化技术的崛起
手性医药化学品是医药化学品的重要组成部分，在许多药物分子中扮演着关键角色。然而，传统的化学合成方法存在底物合成困难、催化剂昂贵且易中毒失活、产品ee值低等问题，难以满足日益增长的医药需求。此外，传统的化学合成方法存在底物合成困难、催化剂昂贵且易中毒失活。
生物催化技术为手性医药化学品的绿色制造提供了新的解决方案。利用微生物或酶作为催化剂，生物催化技术具有条件温和、环境友好、高效、高选择性的特点，可以有效地解决传统化学合成方法的弊端。
1.1生物催化中常用的酶
氧化还原酶：如羰基还原酶、亚胺还原酶、烯还原酶等，可以催化氧化还原反应，在手性胺类、手性醇类和手性氨基酸的合成中发挥重要作用。
转移酶：如转氨酶，可以催化氨基基团的转移，在手性胺类化合物的合成中具有重要作用。
裂解酶：如腈水解酶、卤醇脱卤酶等，可以催化底物的裂解反应，在手性醇类和手性氨基酸的合成中发挥重要作用。
1.2生物催化在手性医药化学品合成中的应用实例
西他列汀中间体：利用羰基还原酶和转氨酶的串联反应，可以实现西他列汀中间体的高效合成，转化率超过95%，ee值超过99.5%。
抗疟药cipargamin的中间体：利用转氨酶催化反应，可以实现抗疟药cipargamin 的中间体的高效合成，合成规模达到50 g，收率84.5%。
普瑞巴林：利用羰基还原酶催化反应，可以实现普瑞巴林的高效合成，ee值达到99.8%。
二、植物天然产物的微生物重组合成：突破资源限制
传统的植物提取方式存在资源限制、提取过程繁琐、收率低等问题。植物天然产物是药物及其先导化合物的重要来源，在近40年获批上市的药物中，天然产物及其衍生物约占25%。然而，传统的植物提取方式存在资源限制、提取过程繁琐、收率低等问题，难以满足社会发展的需求。
合成生物学技术为植物天然产物的生产提供了新的途径。通过将药用植物基因组装、编辑到微生物细胞中，可以构建微生物细胞工厂，实现植物天然产物的微生物重组合成。这种方法可以突破植物资源限制，具有环境友好、生产速度快、易于大规模生产等多种优势。
2.1 微生物重组合成植物天然产物的实例
黄花素：通过将黄花蒿中的关键基因导入酵母细胞，可以实现黄花素前体青蒿酸的高效合成，产量达到45 g/L。
人参皂苷：通过将人参中的关键基因导入酵母细胞，可以实现人参皂苷Rh2和人参皂苷CK的高效合成，产量分别达到2.25 g/L和5 g/L。
β-胡萝卜素：通过将类胡萝卜素合成途径的关键基因导入解脂耶氏酵母细胞，可以实现β-胡萝卜素的高效合成，产量达到39.5 g/L。
白藜芦醇：通过将白藜芦醇合成途径的关键基因导入解脂耶氏酵母细胞，可以实现白藜芦醇的高效合成，产量达到22.5 g/L。
2.2 微生物重组合成植物天然产物的优势
突破资源限制：不受植物生长周期、生长环境和地理分布的限制，可以大规模生产植物天然产物。
环境友好：不需要使用化学试剂和溶剂，减少了对环境的污染。
生产速度快：微生物发酵速度快，可以缩短生产周期。
易于大规模生产：可以采用发酵罐进行大规模生产，满足市场需求。
三、合成生物学引领医药产业变革
合成生物学技术正在快速发展，并在医药领域展现出巨大的应用潜力。我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要中已明确将合成生物学列为科技前沿领域之一。
3.1 合成生物学在医药领域的应用前景
开发新的药物：通过合成生物学技术，可以构建微生物细胞工厂，生产具有生物活性的天然产物及其衍生物，为开发新的药物提供先导化合物。
降低药物生产成本：合成生物学技术可以实现植物天然产物的微生物重组合成，突破植物资源限制，降低药物生产成本。
提高药物生产效率：合成生物学技术可以构建高效的微生物细胞工厂，提高药物生产效率，满足日益增长的医药需求。
开发个性化药物：合成生物学技术可以构建个性化的微生物细胞工厂，生产针对特定疾病的药物，实现个性化医疗。
3.2 合成生物学在医药领域的挑战
技术瓶颈：合成生物学技术尚处于发展阶段，仍存在一些技术瓶颈，如基因编辑技术、细胞工厂构建技术等。
安全性问题：合成生物学技术构建的微生物细胞工厂可能存在安全风险，需要进行严格的安全性评估。
伦理问题：合成生物学技术涉及对生物体的改造，需要考虑伦理问题。
总结
总的来说，合成生物学技术为植物天然产物的生产提供了新的途径，突破了传统植物提取方式的限制，展现出巨大的应用潜力。通过构建高效的微生物细胞工厂，可实现植物天然产物的绿色、高效、规模化生产，满足日益增长的医药需求。然而，微生物重组合成植物天然产物技术仍处于发展阶段，面临着诸多挑战。未来，需开发更先进的基因编辑技术、细胞工厂构建技术和产物提取纯化方法，以推动这项技术的成熟和产业化应用。
参考资料：
[1] 尹梦琦,赵建志.基于合成生物学技术改造酵母高效合成萜类化合物[J].齐鲁工业大学学报,2025,39(1):36-46.
[2] 洪明明,唐林林,宋杰.基于环状单链DNA的医学合成生物学[J/OL].生命科学,1-21.
[3] 朱华伟,李寅.合成生物制造2025[J].生物工程学报,2025,41(1):1-78.
作者简介：雅韵，从事药物治疗机制、药物临床试验与药物研发等。
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