在美国和欧洲，救命药物的短缺已经变得令人担忧。化疗药物长春碱和长春新碱的短缺中断了许多儿童和成人的癌症治疗，因为没有替代药物可用。这些关键药物由长春花生物碱vindoline和catharanthine制成，它们是从马达加斯加长春花（Catharanthusroseus）植物中提取的单萜吲哚生物碱（MIA），然后进行化学组合。2019-21 年长春碱和长春新碱的短缺主要是由于这些成分的供应延迟。与所有植物衍生的天然产品一样，长春花生物碱的供应容易受到植物病害、自然灾害、流行病和全球物流中断等因素的影响。因此，我们迫切需要这些生物碱的替代来源，独立于其天然植物生产者，以确保稳定的供应链。合成生物学有可能通过使用可再生资源来生产通常来自石油的分子（例如运输燃料和其他有用的化学品）以及通常从稀有或养殖生物中提取的天然产品，从而创造更可持续的经济。这些天然产物的结构复杂性可以使微生物合成优于传统的化学合成。几项开创性研究展示了在工程酵母中生产目前来自植物的基本药物，包括抗疟疾药物青蒿素、阿片类镇痛剂和药用大麻素。鉴于此，丹麦技术大学Jay D. Keasling、Michael K. Jensen等人使用类似的方法，在啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中重建了 C.roseus 的长春碱生物合成途径。这种微生物可以在工业规模的发酵罐中生长，使用廉价和可再生的底物（例如糖和氨基酸）来制造长春花生物碱。
长春碱的31步生物合成途径是在 2018 年确定最后两种酶后才完成的，而且非常复杂。为了简化任务，研究人员将路径分为三个不同的模块。第一个产生胡豆苷(strictosidine)，这是所有天然 MIA 的常见前体；另外两个产生catharanthine和vindoline。每个模块在酵母中表达并单独测试以确认该部分途径的功能表达。
图|酵母中长春碱生产的完整生物合成途径
最终的菌株包含所有三个模块，使用葡萄糖和氨基酸色氨酸制造vindoline和catharanthine。它具有 56 个基因编辑，包括来自植物的 34 个基因，以及 10 个酵母基因的缺失、敲低或过表达，以改善生物合成途径中关键前体的产生。图|在工程酵母菌株中从头合成胡豆苷、泰伯宁、vindoline和catharanthine未来，研究人员期望优化用于制造胡豆苷的酵母菌株可用作生产任何 MIA 的强大平台。它可以作为一个多功能框架，用于其他 MIA 的通路发现和原型设计，例如喜树碱、拓扑替康和伊立替康的前体。还可以增强该途径以产生新的自然MIA，这可能具有改进的药理特性，例如比天然 MIA 具有更高的功效或更少的副作用。研究人员多次尝试在酵母中表达过氧化物酶，以催化vindoline和catharanthine的缩合，这是形成长春花碱本身所需的最后合成步骤。尽管付出了巨大的合作努力，但还是失败了。相反，研究人员在酵母中生产了vindoline和catharanthine，从发酵液中纯化它们，并使用常规化学方法将它们偶联。最后的合成步骤概括了目前从植物中获得长春碱的方法。值得探索的是，过氧化物酶是否可以通过生物工程在酵母中进行这种偶联，从而实现长春碱的从头生物合成。策略可以包括测试来自其他生物体的更多过氧化物酶变体，或将酶定位在称为过氧化物酶体的细胞器内，其中较高水平的过氧化氢有利于缩合反应。Zhang,J., Hansen, L.G., Gudich, O. et al. A microbial supply chain for production ofthe anti-cancer drug vinblastine. Nature (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05157-3
