专访申晓林丨首次以微生物从头合成非天然药物分子

自 2022 年 12 月 7 日起，中国进一步放松管控，进入了战“疫”新阶段，由此出现抢药潮，对乙酰氨基酚成为热抢药物之一。此情况在股市上可见一斑，对乙酰氨基酚龙头股东北制药斩获 6 天 4 板；特一药业、太极集团、西南药业等企业股价同样大幅增长。

对乙酰氨基酚（AAP），又称扑热息痛，是镇痛和治疗发热的主要药物之一。自 COVID-19 爆发以来，对乙酰氨基酚因其广泛的可用性，成为世界各地医疗保健机构的推荐用药，如世界卫生组织（WHO）、国家健康与护理卓越研究所（NICE）等，用于治疗 COVID-19 引起的成人和儿童的发烧症状。

根据公开数据，目前，全球对乙酰氨基酚的产能约为 19 万吨，2021 年全球市场规模约为 7.723 亿美元，销量约为 14.85 万吨。Mordor Intelligence 预测，在 2022-2027 年间，扑热息痛的市场规模有望以 4.3% 的复合年增长率增长。全球范围的巨大需求势必会促进对乙酰氨基酚的大量合成。

工业上生产对乙酰氨基酚的方式为化学合成，需要使用石油衍生物（例如苯酚）作为原材料，反应过程条件苛刻且污染环境。

为了改善其生产中的环保和不可持续的问题，北京化工大学团队利用酶的杂泛性及底物产物相似性原则，设计了一条对乙酰氨基酚的生物合成新途径，生产滴度达到 120.03 mg/L。研究论文以题“Design and construction of an artificial pathway for biosynthesis of acetaminophen in Escherichia coli”发表在

Metabolic Engineering

上。申晓林教授为本文第一作者。

▲图丨申晓林（来源：受访者提供）

“据我们所知，这也是目前第一次以微生物从头合成由人工设计的非天然药物分子。”申晓林说道。

从 0-1，首次以微生物从头合成非天然药物分子

对乙酰氨基酚是一种非天然化学品，在自然界中没有天然的生物合成途径。申晓林告诉生辉 SynBio，相对于其他天然产物，其生物合成的难度更大。

第一个难点是设计对乙酰氨基酚的生物合成途径。“我们利用逆向合成的方法来进行设计，并且将它跟大肠杆菌的中心代谢途径联系起来。”

第二个难点是将化工反应在生物体内实现。“这种非天然的药物分子没有酶催化，我们通过探索和扩展天然酶的底物库，鉴定并表征了一种新型对氨基苯甲酸 (p-ABA) 单加氧酶，可以利用 p-ABA 对氨基苯酚 (p-AP)。”

但是最后一步 p-AP 生产 AAP 的反应需要加入乙酸，在酸性条件下加热进行，这显然不能在生物体内实现。经计算，该反应为吸能反应，其吉布斯自由能变大于零（△rG’0net=11.9 kJ/mol）。

“为了在细菌中可以促使该反应发生，我们设计了新的生化反应，利用乙酰辅酶 A 提供乙酰基的同时释放 31 kJ/mol 能量，降低反应吉布斯自由能变，逆转反应方向，驱动反应进行。“

第三个难点是筛选或挖掘可催化新生化反应的酶。”我们利用酶的杂泛性和底物产物相似性挖掘了一种对氨基苯酚 (p-AP) N-乙酰转移酶，它们使细菌能够从 p-AP 生产 AAP。“

最终，团队成功构建了以甘油为原料的生物合成途径，并通过采用温度响应控制系统，减少了合成途径中副产物的积累，实现对乙酰氨基酚产量为 120.03 mg/L。该途径也可以葡萄糖等可再生生物质资源为底物，生产对乙酰氨基酚。

（来源：受访者提供）

“120.03 mg/L 的滴度是实验室摇瓶发酵的水平，可以看作是从无到有的突破，但是距离工业化还有非常长的一段路要走。但毋庸置疑的是，这项研究为对乙酰氨基酚的工业化绿色生产奠定了基础。”

申晓林还表示，这项工作不仅构建了用于生产对乙酰氨基酚的微生物平台，而且还展示了通过发现基于现有酶的新型生物反应来设计和构建人工生物合成途径的方法。“可以用于很多新酶挖掘或者新反应的设计。”

接下来，团队还将从两个方面进一步提高生产滴度。第一，对底盘生物的代谢网络进行改进，使其更适合生产芳香族类化合物，以对乙酰氨基酚为主；第二，重新对酶进行设计和改造，使其催化目标底物的能力更强。“因为这些酶现在催化的是非天然底物，催化活性不高，这也是限制产量仅在毫克级别的原因。”

阿魏酸和水杨苷的生产已达到工业化水平

申晓林博士就读于北京化工大学，师从袁其朋教授，由此与合成生物学结缘。博士及博士后期间，她又在美国佐治亚大学闫亚军教授的课题组学习了四年，更加深入地认识了合成生物学领域以及其广阔的发展前景。

（来源：受访者提供）

目前，申晓林的研究聚焦于芳香族化合物中的天然活性成分及大宗化学品的生物合成与代谢网络的调控，属于代谢工程和合成生物学的研究范畴。“芳香族化合物是基于莽草酸途径生产的一类次级代谢产物，包括非常多有用的药物分子和活性成分，这也是我比较感兴趣的原因。”

此前，团队已经实现了熊果苷的工业化生产，这是一种存在于植物熊果中的天然美白活性成分，可用于治疗晒伤和黑色素沉积，或者作为医疗用药。

“我们用了大概四年的时间实现了熊果苷的工业化生产。团队目前在做的天然活性成分还包括阿魏酸、水杨苷等。”

水杨苷是天然的阿司匹林，具有解热镇痛的效果，最初从柳树皮中提取获得，后来因为合成困难，使用阿司匹林进行合成替代。

“患有胃肠道疾病的病人服用阿司匹林容易导致胃出血等状况，而水杨苷比阿司匹林更好，对胃肠刺激比较小，实现水杨苷的生物合成可以部分替代阿司匹林。”

据申晓林透露，团队阿魏酸和水杨苷的生产都已经达到了工业化的水平，阿魏酸在发酵罐中的产量超过15g/L，水杨苷的产量则稳定在 30 g/L的水平。目前团队已经与一些企业接洽合作，新的生产工艺和流程也在开发中。

在大宗化学品方面，团队聚焦于对乙酰氨基酚和对氨基苯甲酸等产品。“它们的售价不是很高，但是市场比较广，难度也会更大。不过，这项研究是一个很好的突破。”