當(dāng)前位置:安捷倫科技(中國)有限公司>>公司動(dòng)態(tài)>>合生萬物 未來可期丨合成生物學(xué)研究先鋒側(cè)記(四) 喬雪研究員:用“天然產(chǎn)物樂高”重新理解中藥化學(xué)成分合成
合生萬物 未來可期丨合成生物學(xué)研究先鋒側(cè)記(四) 喬雪研究員:用“天然產(chǎn)物樂高”重新理解中藥化學(xué)成分合成
前言
喬雪研究員的科研路徑與“北大醫(yī)學(xué)”密不可分——自 2003 年入學(xué), 2012 年留校任教,2018 年從海外訪學(xué)歸來后組建課題組,二十多年來,從未走遠(yuǎn)。她自嘲是一位“很土”的科研人員:在北大醫(yī)學(xué)成長和發(fā)展,以傳統(tǒng)中藥為研究對(duì)象,研究方向也始終圍繞一個(gè)核心——中藥里的天然產(chǎn)物。

但“土”不等于守舊。長期研究中藥復(fù)雜體系,讓她意識(shí)到傳統(tǒng)研究方法的局限。當(dāng)藥理實(shí)驗(yàn)需要克級(jí)的候選分子,而藥材中含量極低時(shí),傳統(tǒng)的提取分離方法將面臨巨大挑戰(zhàn)。這一瓶頸,促使她轉(zhuǎn)向合成生物學(xué)——不依賴藥材,而是用微生物“種”出中藥的有效成分。
這條路并不容易,卻讓她找到了一種新的語言,去講述中藥的故事。
從“分析中藥”到“合成中藥”:
科研瓶頸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)型路
喬雪的科研起點(diǎn)是中藥化學(xué)成分分析。由于中藥成分高度復(fù)雜,課題組長期依賴液相色譜(LC)及液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(LC/MS)進(jìn)行解析。但分析只能“看見”,無法“拿到”。當(dāng)藥理或臨床研究需要足夠量的化合物時(shí),問題就來了。光靠液質(zhì)聯(lián)用拿不到目標(biāo)化合物,即使擁有大型制備液相,也受限于藥材中目標(biāo)成分的天然含量,會(huì)耗費(fèi)大量中藥資源和人力物力。
正是這種“看得見卻拿不到”的困境,促使她在 2015 年轉(zhuǎn)向生物合成研究。課題組由此從“分析中藥”轉(zhuǎn)向“合成中藥”,研究重心逐步聚焦于植物天然產(chǎn)物的生物合成機(jī)制,并正式進(jìn)入合成生物學(xué)領(lǐng)域。
“天然產(chǎn)物樂高”:酶的雜泛性帶來的新可能
在探索植物如何合成活性分子的過程中,喬雪研究員提出了一個(gè)形象的比喻——“天然產(chǎn)物樂高”。
這一想法源于對(duì)酶功能的重新認(rèn)識(shí)。高中課本強(qiáng)調(diào)“酶具有專一性,一把鑰匙開一把鎖”,但實(shí)際研究發(fā)現(xiàn),許多酶具有“雜泛性(promiscuity)”——能靈活催化不同底物組合。例如,一個(gè)酶既能將 A 與 B 連接,也能將 A 與 C 連接,甚至在 AB 基礎(chǔ)上繼續(xù)連接 D。“大自然給蛋白質(zhì)賦予了很強(qiáng)的創(chuàng)造力。”喬雪說。
自然界中存在大量通用“砌塊(building blocks)”,如葡萄糖、肉桂酸、乙酰輔酶 A 等。這些小分子分布廣泛,可作為“積木”被酶靈活組裝成多樣化的天然產(chǎn)物。“樂高”的命名,正是源于這種模塊化、可組合的特性。這一特性,為構(gòu)建“非天然的天然產(chǎn)物”打開了可能——既保留天然骨架,又引入非天然修飾,以探索更優(yōu)的藥理活性。
落地與挑戰(zhàn):從金蓮花到中藥資源保護(hù)
目前,課題組已將這一思路應(yīng)用于多個(gè)中藥活性成分的合成。一個(gè)代表性案例是金蓮花——一種野生中藥,氣候和采收時(shí)間將影響到其有效成分黃酮碳苷的含量。
北大藥學(xué)院葉敏/喬雪團(tuán)隊(duì)花了大量時(shí)間解析黃酮碳苷的生物合成通路,并與華東理工大學(xué)蔡孟浩教授團(tuán)隊(duì)合作,將整條路徑導(dǎo)入酵母,實(shí)現(xiàn) 20 多克/升的高產(chǎn)發(fā)酵。“這意味著,未來可以不依賴野生資源,也能穩(wěn)定獲得關(guān)鍵藥效成分。”

喬雪研究員指出,這類成果一方面可以用于天然藥物研發(fā),另一方面則對(duì)中藥資源保護(hù)意義重大:我國近半數(shù)常用中藥依賴野生采集,若能通過發(fā)酵生產(chǎn)關(guān)鍵成分,將顯著減少對(duì)野生資源的消耗。此外,生物合成研究中發(fā)現(xiàn)的酶和調(diào)控因子,還可用于分子育種,幫助選育優(yōu)質(zhì)藥用植物種源。
闡明中藥成分的生物合成酶,在技術(shù)上充滿挑戰(zhàn)。“很多植物基因組比人類還大,找準(zhǔn)目標(biāo)基因好比大海撈針。” 喬雪團(tuán)隊(duì)擅長采用“相關(guān)性分析”策略:通過擾動(dòng)植物,觀察目標(biāo)化合物、中間體及基因表達(dá)量的同步變化,縮小候選范圍。這一策略高度依賴精準(zhǔn)的分析測試技術(shù)。在儀器選擇上,課題組以液相色譜和液質(zhì)聯(lián)用為首選方案,對(duì)很多常用中藥成分的了解,都是以安捷倫 LC/Q-TOF 及 2D-LC/MS 儀器為基礎(chǔ)完成的。
科研是大家一起做有意思的事
喬雪研究員坦言,自己從事科研工作,并非出于刻意決定,而是順理成章的選擇。這歸功于師長的托舉——導(dǎo)師果德安教授、葉敏教授在中藥領(lǐng)域的深厚積淀與執(zhí)著精神深刻影響了她。“科研是一件有意思的事,選擇做,就要把它做好”。在培養(yǎng)自己的學(xué)生時(shí),她始終努力營造自由、開放的科研氛圍,鼓勵(lì)他們勇于走出舒適區(qū),保持對(duì)新事物、新技術(shù)的好奇。實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生的聰慧、勤奮與堅(jiān)韌,是課題持續(xù)推進(jìn)的重要?jiǎng)恿Α?/span>

喬雪的研究也離不開合作者、同行以及安捷倫技術(shù)專家們的寶貴支持,他們在多次交流中提出的建設(shè)性意見,為課題的推進(jìn)提供了重要啟發(fā),她對(duì)此深表感謝。
面向未來的“多組分合成中藥”暢想
喬雪研究員期待 AI 能在基因挖掘、酶設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)發(fā)揮更大作用,推動(dòng)植物合成生物學(xué)研究范式革新。未來,也許能通過工程菌發(fā)酵,產(chǎn)出與中藥成分一致的“多組分合成中藥”,讓中藥免受氣候、土地與采收周期的局限,為資源可持續(xù)利用提供一種新的解決方案。



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