在美國和歐洲，救命藥物的短缺已經變得令人擔憂。化療藥物長春堿和長春新堿的短缺中斷了許多兒童和成人的癌癥治療，因為沒有替代藥物可用。這些關鍵藥物由長春花生物堿vindoline和catharanthine制成，它們是從馬達加斯加長春花（Catharanthusroseus）植物中提取的單萜吲哚生物堿（MIA），然后進行化學組合。2019-21 年長春堿和長春新堿的短缺主要是由于這些成分的供應延遲。與所有植物衍生的天然產品一樣，長春花生物堿的供應容易受到植物病害、自然災害、流行病和全球物流中斷等因素的影響。因此，我們迫切需要這些生物堿的替代來源，獨立于其天然植物生產者，以確保穩定的供應鏈。合成生物學有可能通過使用可再生資源來生產通常來自石油的分子（例如運輸燃料和其他有用的化學品）以及通常從稀有或養殖生物中提取的天然產品，從而創造更可持續的經濟。這些天然產物的結構復雜性可以使微生物合成優于傳統的化學合成。幾項開創性研究展示了在工程酵母中生產目前來自植物的基本藥物，包括抗瘧疾藥物青蒿素、阿片類鎮痛劑和藥用大麻素。鑒于此，丹麥技術大學Jay D. Keasling、Michael K. Jensen等人使用類似的方法，在啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中重建了 C.roseus 的長春堿生物合成途徑。這種微生物可以在工業規模的發酵罐中生長，使用廉價和可再生的底物（例如糖和氨基酸）來制造長春花生物堿。
長春堿的31步生物合成途徑是在 2018 年確定最后兩種酶后才完成的，而且非常復雜。為了簡化任務，研究人員將路徑分為三個不同的模塊。第一個產生胡豆苷(strictosidine)，這是所有天然 MIA 的常見前體；另外兩個產生catharanthine和vindoline。每個模塊在酵母中表達并單獨測試以確認該部分途徑的功能表達。
圖|酵母中長春堿生產的完整生物合成途徑
最終的菌株包含所有三個模塊，使用葡萄糖和氨基酸色氨酸制造vindoline和catharanthine。它具有 56 個基因編輯，包括來自植物的 34 個基因，以及 10 個酵母基因的缺失、敲低或過表達，以改善生物合成途徑中關鍵前體的產生。圖|在工程酵母菌株中從頭合成胡豆苷、泰伯寧、vindoline和catharanthine未來，研究人員期望優化用于制造胡豆苷的酵母菌株可用作生產任何 MIA 的強大平臺。它可以作為一個多功能框架，用于其他 MIA 的通路發現和原型設計，例如喜樹堿、拓撲替康和伊立替康的前體。還可以增強該途徑以產生新的自然MIA，這可能具有改進的藥理特性，例如比天然 MIA 具有更高的功效或更少的副作用。研究人員多次嘗試在酵母中表達過氧化物酶，以催化vindoline和catharanthine的縮合，這是形成長春花堿本身所需的最后合成步驟。盡管付出了巨大的合作努力，但還是失敗了。相反，研究人員在酵母中生產了vindoline和catharanthine，從發酵液中純化它們，并使用常規化學方法將它們偶聯。最后的合成步驟概括了目前從植物中獲得長春堿的方法。值得探索的是，過氧化物酶是否可以通過生物工程在酵母中進行這種偶聯，從而實現長春堿的從頭生物合成。策略可以包括測試來自其他生物體的更多過氧化物酶變體，或將酶定位在稱為過氧化物酶體的細胞器內，其中較高水平的過氧化氫有利于縮合反應。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
