长期以来，科学家们一直渴望利用细菌酶通过“组合生物合成”过程来生产新的药物变体，但进展有限，因为人们并不了解这些酶是如何协同工作以组装不同化合物的。如今，来自英国华威大学和澳大利亚莫纳什大学的研究团队终于揭开了这一谜团，他们发现了细菌如何自然产生多种强效抗癌化合物的机制。这项突破性研究于近日发表在《自然通讯》上，为开发难以治疗的癌症新疗法提供了重要蓝图。

研究团队发现，被称为“对接结构域”的小蛋白区域充当了分子连接器，连接着主要的药物生产机器和负责添加不同化学成分的酶。这些对接结构域共享一个共同的连接点，使它们能够与多个不同的酶伙伴相互作用。这种灵活性使细菌能够生成一系列密切相关的药物分子，同时保持化合物有效所需的精确性。

该研究聚焦于一组称为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂的药物，它们通过阻断组蛋白去乙酰化酶（调节细胞内基因开关的酶）来发挥作用。其中，罗米地辛（商品名Istodax）是这类药物中最知名的成员之一，已获FDA批准用于治疗T细胞淋巴瘤。另一种密切相关的化合物FR-901375几十年来一直困扰着科学家，因为研究人员始终无法确定细菌究竟如何产生它。这项研究终于确定了其缺失的生物合成途径。

与其他HDAC抑制剂一样，FR-901375属于一类称为缩酚酸肽的复杂环状分子。细菌利用称为PKS-NRPS杂合酶的巨大蛋白复合体来制造这些化合物，该复合体结合了聚酮合酶（PKS）和非核糖体肽合成酶（NRPS）的活性，从较小的分子构件组装药物。新发现的对接结构域沿着这条生物装配线充当连接器，使机器的一个部分将其部分构建的产品传递给下一个部分。这种分子交接解释了细菌如何通过组合生物合成自然产生多种相关药物。

为了揭示这一机制，研究团队结合了结构生物学、生物化学、遗传学和计算分析。他们的研究包括：对公共数据库进行生物信息学搜索，以鉴定Pseudomonas chlororaphis subsp. piscium中的FR-901375生物合成基因簇，并通过质谱分析确认产生的代谢物；使用纯化的蛋白结构域进行实验室实验，通过完整蛋白质谱验证了有效的酶相互作用；利用AlphaFold计算建模预测蛋白复合体结构，并通过碳烯足迹质谱实验确认这些预测，以绘制蛋白相互作用位点；通过定点诱变验证模型预测的关键结合残基的重要性；在细菌菌株中进行基因删除实验，证明对接结构域在活细胞内药物生产过程中至关重要；以及对来自多种HDAC抑制剂生产菌的生物合成基因簇进行比较研究，揭示了这些系统共有的保守进化特征。

“几十年来，我们知道细菌可以自然产生多种强效抗癌药物，但我们完全不知道它们是如何做到的，”该研究的第一作者、华威大学化学系研究员Munro Passmore博士说。“这项工作终于破解了这个密码。我们确定了不同的酶如何通信和协作以产生这些药物变体，由于这个系统极其精巧且经济，此前一直让研究人员困惑不已。这是我们真正需要突破，以便我们自己来工程化这些药物。”华威大学和莫纳什大学的莫纳什-华威联盟可持续化学教授Greg Challis总结道：“这项研究为我们提供了一个蓝图，去做大自然所做的事情，但做得更好、更快。通过逆向工程自然的进化逻辑，我们现在可以设计合成途径，生成具有优化临床使用特性的新型抗癌候选药物，例如更高的效力、更好的选择性、更少的副作用。我们的直接目标是建立一个针对各种急需新疗法的癌症的扩展候选药物库。这一发现正在将我们从理解这些系统如何运作，推向构建新的系统。”