“若在 21 世紀的前 20 年，大家或許認為 '21 世紀是生物學的世紀 ' 不太現實，但隨著合成生物學的發展，相信接下來的時間會逐漸讓這句話成真。” 這是李盛英教授上合成生物學課程常見的開場白。

1996 年，還在上高中的李盛英因參加生物奧賽獲獎被保送到廈門大學生命科學學院生物學基地班，在此一待就是 7 年，2004 年前往美國密歇根大學藥學院藥物化學系讀博，2012 年回到祖國任中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員，並在此建立了山東省合成生物學重點實驗室，2018 年調動到山東大學，現為山東大學微生物技術國家重點實驗室教授。

李盛英目前主要圍繞細胞色素 P450 酶進行研究，同時也涉及微生物天然產物的生物合成和工業微生物菌株改良，目前其帶領的實驗室同時進行多個大型專案，包括碳 - 氫鍵選擇性氧化 P450 酶的人工設計與定向進化以及合成塑膠降解菌 / 酶的發現與鑑定。

細胞色素 P450 酶：

是以血紅素作為輔因子的一個龐大的酶超家族。在哺乳動物中，這類酶氧化類固醇、脂肪酸以及異生物質（如藥物、毒素等），對清除各種化合物以及激素合成和分解都很重要；在植物中，這些蛋白質對於防禦性次級代謝產物、脂肪酸和激素的生物合成十分重要。P450 酶已在所有生命界中被發現，包括動物、植物、真菌、原生生物、細菌、古菌以及病毒。

隨著基礎研究成果的積累，李盛英逐漸開始 P450 酶相關的產業轉化。目前，該團隊正在與安琪酵母合作開展微生物催化與轉化專案，即利用微生物將一些植物提取的天然產物轉化成具有更高附加值的香料或其它精細化學品。

為此，生輝 SynBio 邀請到了李盛英跟我們分享他的研究內容。

細菌來源的 P450 酶製備藥物代謝產物

藥物代謝是指藥物在體內多種藥物代謝酶（尤其肝藥酶）的作用下化學結構發生改變的過程。藥物在體內代謝後的結果通常有兩種：一是失活，成為無藥理活性的藥物代謝物被降解或排出體外；二是活化，由無藥理活性成為有藥理活性的代謝物或產生有毒或致癌的代謝物。

人類藥物代謝物是廣泛用於藥物相關研究的重要化學品。新藥在報批上市前，必須理清藥物代謝物的結構和組成，所以製備鑑定藥物代謝產物為必不可少的環節。

細胞色素 P450 酶是常見的藥物代謝酶，該酶因其還原態與一氧化碳結合後在波長 450 奈米處有最大吸收峰而得名。

李盛英介紹道，“在生物界以及合成生物學領域，P450 酶是一種非常重要的生物催化元件，在絕大多數生物體記憶體在，廣泛參與多種微生物天然藥物的生物合成過程；並且是植物界中最大的基因家族，很多藥用植物活性成分的生物合成途徑涉及大量的 P450 生物催化元件。眾所周知，我們國家非常重視中醫藥研究，而研究這些中醫藥的活性成分及其代謝產物幾乎不可能繞過 P450 酶 。”

圖丨細胞色素 P450 酶經典催化迴圈（來源：研究論文）

製備藥物代謝產物的傳統方法有兩種，一種是有機合成，在一些特定的位點加上羥基或環氧基等氧化性基團，這種碳氫鍵的選擇性氧化在有機合成領域極具挑戰，被稱為該領域的 “聖盃”，其難點在於位點和立體選擇性難以精確控制；

另外一種方法是體外培養人體的肝臟細胞，然後將藥物加到培養物裡，利用人類本身的 P450 酶催化產生代謝物，目前很多大藥廠都在採用這種方法，但此方法的問題在於體外培養正常肝臟細胞較難，由於肝臟的 P450 酶是膜蛋白，因此只能小規模製備，而且培養肝臟細胞的成本較高。

針對這兩種傳統方法的痛點，李盛英團隊開發了一種細菌來源的 P450 酶 ——PikC，以此來模擬人類肝臟 P450 酶代謝藥物的催化行為。

“為什麼要選用細菌來源的 P450 酶？” 生輝 SynBio 丟擲了問題。

“原核生物（細菌）的 P450 酶是可溶性蛋白，它不跟膜結合，而且細菌 P450 酶可以方便地透過發酵進行工業化生產，在大量製備和表達的過程中有著得天獨厚的優勢。” 李盛英解釋道。

PikC 是李盛英從博士階段就一直研究的，來源於鏈黴菌的一種 P450 酶，其展現了較好的底物寬泛性，可透過識別雙烷基氨基結構單元與底物結合，且表達和催化活性較好。該團隊選取了 19 種含雙烷基氨基的抗抑鬱或抗腫瘤代表性藥物，發現 PikC 可以識別其中的 15 種，且產物譜與人體 P450 酶代謝的產物高度相似。

“該研究的最大價值在於創造了一種低成本、高效的方法來製備人體藥物代謝產物。目前只是一些已知藥物，未來會逐步擴充套件到新藥開發，製備臨床實驗藥物代謝物是進行新藥開發的必要過程。”

“變找為造，找造結合”

從事 P450 酶研究十多年，李盛英團隊已打造了一個 P450 酶的綜合研發平臺，並在合成生物學架構下建成了兩大元件庫。“其中一個是 P450 元件庫，該元件庫中含有 4 萬多個有效的 P450 元件；另一個是庫容超過 3000 個的還原伴侶庫，已向全球六十多家科研機構輸出，並幫助許多對 P450 酶感興趣的學者完成了相關研究工作。國內學者對於 P450 酶的研究起步較晚，我們非常樂於分享我們對於 P450 酶長期研究過程中所產生的認識、方法、工具和材料。”

目前李盛英團隊計劃建設一個高通量的自動化篩選平臺，以應對當前科研和工業界對優質 P450 催化元件的大量需求。

“如何打造高通量篩選平臺？” 生輝 SynBio 問道。

李盛英說道，“我們的研發理念是‘變找為造，找造結合’，過去常透過在自然界中篩選微生物和植物來源的天然元件以尋找某個催化目標反應的 P450 酶。但隨著合成生物學的發展，尤其蛋白質設計和定向進化方法的進步，目前已初步實現根據一些目標反應，用蛋白質設計和高通量篩選結合的方式來獲得一些非天然的催化元件。我們的終極目標是實現 P450 催化元件的按需訂製。”

除了 P450 酶，該團隊正在進行的 “合成塑膠降解菌 / 酶” 的國家重點研發專案也應用了上述理念。

塑膠降解是全球重大難題之一，從印度恆河到英國泰晤士河，成千上萬噸的塑膠垃圾被拋棄在自然中。據統計，人類社會每年向海洋中拋棄 800 萬噸塑膠垃圾，其中最大一塊漂浮在海上的塑膠垃圾面積如同三個法國國土面積，這些漂浮在海洋上的垃圾被稱為第 8 大陸。

我國是全世界最大的塑膠生產國。2020 年中國塑膠製品產量 7603.2 萬噸，較上年減少 581.0 萬噸，同比下降 7.1%，其中 12 月中國塑膠製品產量為 775 萬噸，同比增長 0.3%。

圖丨 2000-2020 年中國塑膠製品產量及增速（來源：東吳證券研究所）

結合當前塑膠汙染現狀和國家號召，治理塑膠垃圾問題刻不容緩。塑膠包括兩大類，一類是透過碳 - 碳成鍵聚合的塑膠，包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP）等；另一類是透過碳 - 氧或碳 - 氮（酯鍵）成鍵聚合的塑膠，包括聚乙烯對苯二甲酸酯（PET）、聚氨酯（PUR）等。常見的塑膠降解方式有光降解、氧降解和酶降解等。

光降解、氧降解等屬於化學降解方法，難以對塑膠進行徹底降解；酶降解屬於生物降解方法，具有降解徹底、環保等優點，可以實現塑膠的完全礦化，不會造成二次汙染，酶降解塑膠正是李盛英團隊的研究重點。

李盛英表示，“塑膠降解酶一直存在於自然界中，2012 年，來自大阪大學的 Shigenori Kanaya 等研究人員在堆肥中發現了一種角質酶（LCC），可以切斷酯鍵，將 PET 塑膠分解為對苯二甲酸和乙二醇。後期研究發現，碳 - 碳成鍵的塑膠降解酶可能與 P450 酶具有一定的關聯，PE 塑膠經解聚酶作用降低聚合度後，成為了與石油成分類似的長鏈烷烴或烯烴，P450 酶與其他酶繫結合有望對長鏈烷烴或烯烴進行進一步的氧化性降解。”

“酯鍵成鍵的塑膠降解酶其實就是一些水解酶，而碳 - 碳成鍵的塑膠降解酶則通常是氧化還原酶，從化學原理來看後者的斷鍵、解聚及降解更具挑戰。這兩類降解酶都能在自然界中找到，我們需要做的是透過到不同的環境中取樣，採用特殊的富集和篩選方法將菌 / 酶篩選和鑑定出來。”

他補充道，“在尋找的過程中，我們發現酶降解塑膠的速度非常緩慢，通常五、六十天才能看到比較明確的實驗結果。我的研究組接觸塑膠降解酶的時間不長，但在過去兩年多的時間裡，透過高效富集篩選、蛋白質理性設計以及基於高通量篩選定向進化方法的構建，已經獲得了若干 PET 塑膠（C-O 成鍵聚合）降解活性大幅提升的工程酶以及多株能夠有效降解 PE 和 PS 塑膠（C-C 成鍵聚合）的微生物菌株，並已申請專利保護，期待很快會有一些重要成果發表。”

利用微生物來源的菌 / 酶降解塑膠前景無限廣闊，除了可觀的經濟效益，還具有極高的社會效益。具有生物安全性的高效塑膠降解菌 / 酶有可能破解廢舊塑膠收集難題，實現塑膠汙染物的原位降解，李盛英表示，“酶降解可能也存在高成本問題，所以最終實現路徑可能還將是包含塑膠降解工程酶類的微生物降解或是菌 / 酶協同降解。”