自动加氟的大肠杆菌助理药物开发

　　氟(fluorine)是一种非常活泼的元素，很多含氟的化合物都是有毒的，所以这种元素基本上也是与生物学绝缘的。但是开发新药的化学家们却非常喜欢它。2012年全世界最畅销的10款药物中有3种都含有氟，这3种药物的总销售额已经超过了200亿美元。通过添加氟，化学家们能够对药物的特性进行微调，帮助这些药物特异性地与靶标结合，或者避免被各种酶降解，亦或是帮助药物透过脂质的细胞膜。这种修饰方法对于小分子药物特别管用，但是当氟被添加到大分子药物，比如红霉素(erythromycin)或其它由生物体合成的大分子上之后往往就会适得其反，破坏这些分子的功能。

　　现在，化学家们对天然产物的调控作用又可以迈上一个新台阶了，这种方法就是让生物体自己添加氟。本期《科学》(Science)杂志将介绍美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)以及美国斯坦福大学(Stanford University in Palo Alto, California)的科研人员们最新的科研成果，他们对细菌进行了改造，让细菌能够合成一种关键的、含有氟元素的原材料，然后细菌还能够将这种原料掺入一类统称为聚酮(polyketides)的化合物当中。聚酮化合物包括分属于不同类型的2万多个分子，如聚醚、聚烯等，是细菌、真菌、动物等产生的二级代谢产物，其中包含有最强劲的抗生素、抗真菌药物和抗寄生虫药物等成分。

　　“这个工作让我们激动万分。要知道氟在医药化学领域里一直都扮演着非常重要的角色。”美国伊利诺伊大学(University of Illinois, Urbana-Champaign)的化学家Wilfred van der Donk这样评价道。很多复杂的天然物质都是很有潜力的药物，只不过存在多方面的问题，比如毒性问题，或者在我们人体内的代谢速度非常快，一下子就被清除掉了。虽然需要像对待小分子药物那样对这些天然成分进行人工改造，但化学家们还是非常乐于这么干的。van der Donk就介绍说：“如果我们能够以极高的效率对这些天然物质进行人工改造，那么就等于拥有了大分子药物和小分子药物这两个世界。”

诸如图左所示的阿伐他汀(atorvastatin)这样的降脂药都会使用氟元素(图中绿色所示)来改善药物的特性，化学家们现在也可以对图右所示的红霉素等大分子药物进行这种改造了

　　氟的医药价值应该是源自它极强的氧化特性，即从其它原子获取电子，并形成稳定化学键的能力。由于氟与碳之间形成的化学键非常牢固，所以这种有机化合物不太容易被P450酶降解，我们知道小分子药物通常都对P450非常敏感，极易被其降解。同时氟元素的个头又非常小，所以化学家们很容易在不改变分子整体形状的前提下将其添加到同样较小的氢原子或小甲基基团(-CH3)上。化合物经过这种改造之后通常都能够极大地提高其整体的电子稳定性(electronic stability)，更容易与脂质结合，从而透过富含脂质的细胞膜，进入细胞内部。

　　化学家们总喜欢在开发小分子药物时在分子的特定位点上添加氟元素。但是对于大分子药物则很难控制氟元素与大分子的结合位点。为了解决这个问题，加州大学伯克利分校的Michelle Chang和斯坦福大学的生化学家Chaitan Khosla等人对已经经过改造，用于生产多聚乙酰的大肠杆菌(Escherichia coli)又进行了两个关键的改造。首先，经过他们的改造之后，细菌能够对氟醋酸盐(fluoroacetate)这种细菌通常都不愿意接触的、比较便宜的含氟化合物进行处理。为了达成这个目的，Chang的攻关小组在细菌中插入了一个基因，该基因编码的蛋白质能够将氟醋酸盐转化成丙二酸单酰辅酶 A(malonylcoenzyme A, malonyl-CoA)的氟化产物，而丙二酸单酰辅酶A是一种关键的多聚乙酰组份分子。

　　通常来说，大肠杆菌里的处理丙二酸单酰辅酶A的酶都会忽视氟化的丙二酸单酰辅酶A分子。所以Chang等人将天然的摄取丙二酰基的基因给突变掉，使其失活，然后再插入一个能够处置氟化的丙二酸单酰辅酶A的基因。幸运的是他们成功了。然后又对大肠杆菌进行了更进一步的改造，使其不仅能够将氟化的丙二酸单酰辅酶A 掺入多聚乙酰产物，而且还能够控制氟元素在多聚乙酰分子中的掺入位点。van der Donk表示，对细菌进行这种改造真是一件让他们倍感兴奋的工作。

　　不过这并不意味着大功告成。大肠杆菌合成的多聚乙酰是双环结构，这种结构对于药用的多聚乙酰来说还是太简单了。不过Chang也注意到，大肠杆菌会不断在多聚乙酰上的添加氟化的丙二酸单酰辅酶A，然后再对多聚乙酰的分子结构进行重塑。“我们非常高兴看到这种现象，这就是一个很好的基础，能够让细菌合成出更有价值的化合物。” Chang介绍说。

　　这项工作不仅仅是有使用价值。能够在大分子的特定位点上精确地添加氟元素的技术会给天然药物带来革命性的影响。我们每天使用的(小分子)特效药已经证明了这一点。