賀海燕：探索大自然的饋贈

衛(wèi)婷婷

近30年來，科研人員對天然產(chǎn)物生物合成的研究取得了諸多重大的突破，為開發(fā)活性更高、生產(chǎn)成本更低廉的藥物作出了巨大的貢獻；同時，通過天然產(chǎn)物生物合成研究，還發(fā)現(xiàn)了大量生物酶催化劑，可用于高附加值化學(xué)品或臨床藥物的高效制備。天然產(chǎn)物作為大自然對人類的饋贈，其生物合成研究一直吸引著中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所研究員賀海燕的探索好奇心。

賀海燕，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。2012年博士畢業(yè)于中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所，2014—2021年在加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)（UBC）化學(xué)系進行博士后研究，2021年3月至今受聘于中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所，并入選2021年國家高層次人才引進青年項目。主要從事微生物來源天然產(chǎn)物的生物合成相關(guān)研究，先后進行了土壤微生物來源的5個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活性顯著的化合物生物合成途徑中特殊酶反應(yīng)及機制的解析，取得了多項原創(chuàng)性的成果，以第一作者在《自然·化學(xué)》（Nature Chemistry）等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文5篇，《科學(xué)引文索引》（SCI）他引400余次，得到國際同行的認可與關(guān)注。

賀海燕在實驗室觀察樣本

天然產(chǎn)物是大自然給人類獨一無二的饋贈，它是指動物、植物提取物或昆蟲、海洋生物和微生物體內(nèi)的組成成分或其代謝產(chǎn)物，由于其復(fù)雜的骨架結(jié)構(gòu)和良好的藥用價值，吸引著科學(xué)家對其進行結(jié)構(gòu)鑒定及化學(xué)合成。

1928年，英國細菌學(xué)家亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）從青霉菌中發(fā)現(xiàn)了具有抗革蘭氏陽性菌的青霉素，并因此獲得了1945年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。青霉素的發(fā)現(xiàn)成為天然產(chǎn)物應(yīng)用于臨床研究的里程碑，人類由此進入了從天然產(chǎn)物中尋找新型藥物的新時代。

而今，現(xiàn)代藥物研究與開發(fā)仍離不開天然產(chǎn)物。數(shù)據(jù)顯示，全球約有2/3的臨床藥物源于天然產(chǎn)物，其中包括60%的抗癌藥和75%的抗感染藥物。近30年來，科研人員對天然產(chǎn)物生物合成的研究取得了諸多重大的突破，為開發(fā)活性更高、生產(chǎn)成本更低廉的藥物作出了巨大的貢獻；同時，通過天然產(chǎn)物生物合成研究，還發(fā)現(xiàn)了大量生物酶催化劑，可用于高附加值化學(xué)品或臨床藥物的高效制備。天然產(chǎn)物作為大自然對人類的饋贈，其生物合成研究一直吸引著中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所研究員賀海燕的探索好奇心。

執(zhí)念

賀海燕對大學(xué)教授和高考狀元有一種莫名的執(zhí)念。在他參加高考的前一年（2002年），陜西省高考理科狀元是史方舟。史方舟的父母是大學(xué)教授，他和賀海燕一樣是陜西神木人。受他影響，“讀理科，成為大學(xué)教授，再把小孩培養(yǎng)成高考狀元”是賀海燕最初的人生目標。2003年高考后，18歲的他很快做出了選擇，并順利考入天津大學(xué)化學(xué)系，朝著當時的人生目標靠近。

站在天津大學(xué)的校門前，賀海燕的第一印象是，校門比錄取通知書封面更加漂亮，更有歷史感。隨后在天津大學(xué)理學(xué)院的開學(xué)典禮上，院長的一番話，至今仍讓賀海燕記憶猶新?！霸洪L說，我們從小學(xué)到高中讀了12年，12年的時間只是讀書生涯的一半，后面還有大學(xué)4年、碩博5年、博士后3年，加起來是下一個12年?！爆F(xiàn)在的賀海燕回想起這段話，他發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)歷的時間比這后面的12年還要長，是整整16年的時間。在漫長的時間里，是科研的樂趣和當大學(xué)教授的執(zhí)念一直支撐他走過來。

賀海燕最早接觸科研是在大二那年的暑假，他自述“運氣很好地”被篩選到化學(xué)系教授李春葆的實驗室。在李老師課題組，他接觸到了書本里沒有的科學(xué)實踐?！拔业搅藢嶒炇抑螅_始意識到書本上的知識并不是最新的知識?！辟R海燕開始去查閱一些剛剛發(fā)表出來的文獻，從這些文獻中找到新的實驗方法或者學(xué)習(xí)一些新的技術(shù)。賀海燕的英語基礎(chǔ)不太好，李春葆教授就鼓勵他多讀文獻，多學(xué)習(xí)一些專業(yè)術(shù)語，慢慢地，他喜歡上了看文獻，學(xué)會了怎么去讀文獻，甚至能從中找到前沿的小課題去做。

大四做畢業(yè)設(shè)計時，賀海燕去了化學(xué)系王建輝教授的課題組，接觸到了有機合成和催化機理的研究，對化學(xué)的理解更進了一步。在研究興頭上的他，決定挑戰(zhàn)一次，全國哪個化學(xué)研究所最難考，他就考哪里?！爸袊茖W(xué)院上海有機化學(xué)研究所是化學(xué)領(lǐng)域最難考的一個研究所，我就想試一試?！辟R海燕總結(jié)自己是“運氣好”，初試最后一名的他因為不錯的復(fù)試成績，成功逆襲，進入了上海有機化學(xué)研究所，成為生命有機化學(xué)國家重點實驗室唐功利課題組的一員。

等真正進入唐功利課題組之后，賀海燕才發(fā)現(xiàn)課題組的研究方向是主攻微生物，主要是做抗生素藥物開發(fā)?！昂芸煳揖妥龀隽藳Q定，從化學(xué)方向轉(zhuǎn)到生物學(xué)方向，開始做抗生素等天然產(chǎn)物生物合成方面的研究?！辟R海燕心里很清楚，研究抗腫瘤和抗菌藥物與人的健康、治療相關(guān)疾病息息相關(guān)，這是很重要的研究。

FR901464是由假單孢菌Pseudomonas sp.No.2663產(chǎn)生的具有高效抗腫瘤活性的天然產(chǎn)物，研究表明，F(xiàn)R901464可以抑制前體mRNA的剪接，具有極高的抗腫瘤活性。而FR901464聚酮鏈生物合成途徑的解析是賀海燕在碩博期間最重要的工作?！八钚院芎?，但是在天然產(chǎn)物中產(chǎn)量特別低，發(fā)酵一升產(chǎn)量不到10毫克，那么在臨床研究的時候，它的來源就是一個特別大的問題?！庇谑?，賀海燕及合作者從FR901464的結(jié)構(gòu)入手，對其的生物合成進行了非常詳細的研究。在原始生產(chǎn)菌株假單胞菌No.2663中成功地鑒定了其生物合成基因簇，闡明了FR901464生物合成是由反式-AT型聚酮合酶和非核糖體肽酶雜合體系催化完成。

“我們把它的生物合成里面特別關(guān)鍵的步驟都解決了，之后輝瑞公司在我們的基礎(chǔ)上，對這個天然產(chǎn)物生物合成進行了改進，產(chǎn)量提高了600多倍，每1L可以得到2.4g的產(chǎn)物，完全解決了來源的問題。”賀海燕的相關(guān)研究成果發(fā)表在了化學(xué)領(lǐng)域最富權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊之一——《美國化學(xué)會志》（

Journal of the American Chemical Society

）上。

在研究過程中，賀海燕注意到，聚酮合成酶是最特別的催化劑，不僅具備神奇的“創(chuàng)造力”，而且“創(chuàng)造力”特別旺盛，許多物質(zhì)若是碰上了它，就會變成另一種全新的物質(zhì)。他決定前往加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究工作，繼續(xù)研究天然產(chǎn)物和生物合成機制?！耙环矫嬗X得海外經(jīng)歷是一個大學(xué)教授必備的要素，另一方面想去體驗海外的科研經(jīng)歷是否能對自己有特別大的幫助?！辟R海燕抱著最初的執(zhí)念，走向了更深的科學(xué)領(lǐng)域。

賀海燕在加拿大工作時期照片

成長

剛到加拿大的時候，賀海燕與實驗室的其他成員都不是很熟悉，交流不多，只顧著埋頭做實驗。但隨著實驗的進行，話匣子也逐漸打開，慢慢和大家熟悉了起來，他覺得國外的實驗室和國內(nèi)并沒有太大的差別?！拔业膶?dǎo)師懂得如何最大限度地激發(fā)課題組成員的潛力，那就是讓他獨立，獨立地挑選課題，獨立地解決問題，就會成長得更快?！辟R海燕也正是在這種獨立中迅速地成長了起來。

賀海燕在加拿大主要研究酶催化反應(yīng)，尋找一些特殊的生物分子，比如亞硝胺?！皝喯醢贩肿游覀兌贾浪蟹浅姷闹掳┬?，但它在生物體內(nèi)是怎么合成的，我們一直不知道?！币话阏J為，亞硝胺是二級胺與亞硝酸在酸性條件下自發(fā)反應(yīng)生成的，但是沒有充分的證據(jù)。于是賀海燕選中了鏈脲菌素（Streptozocin）進行研究，它是分離于鏈霉菌的一個非常罕見的亞硝胺天然產(chǎn)物，由于具有較強的細胞毒性和抗癌活性，被開發(fā)為抗胰腺癌藥物，一直用于重癥患者的治療。

賀海燕首先從生產(chǎn)菌株中鑒定了鏈脲菌素的生物合成基因簇，其中包含有一個精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶StzE；再通過體外生物化學(xué)實驗，證實了StzE可以催化精氨酸的胍基單甲基化；并且通過體內(nèi)和體外實驗互相輔助，明確證實了雙鐵依賴的氧化酶StzF催化甲基精氨酸胍基的氧化，并釋放一氧化氮（NO）。賀海燕通過生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，StzE和StzF兩個蛋白在很多微生物體內(nèi)都是成對存在的，表明此一氧化氮合成途徑具有普遍性。該研究的相關(guān)成果，賀海燕以第一作者發(fā)表于《美國化學(xué)會志》上，而此項研究，為探索一氧化氮和亞硝胺分子在微生物和植物體內(nèi)合成新途徑提供了強有力的指導(dǎo)。

除此之外，賀海燕最重要的工作還有甲基氮酸酯這類天然產(chǎn)物的生物合成研究。O-甲基氮酸酯在化學(xué)上是一種特殊的1，3-偶極子，可以與不飽和化合物在較溫和的條件下進行環(huán)加成反應(yīng)，生成五元雜環(huán)，在合成化學(xué)領(lǐng)域具有重要的意義。“我們對O-甲基氮酸酯的生物合成進行了系統(tǒng)研究，徹底解決了它的生物合成這個途徑，知道它來源于甘氨酸，經(jīng)過4個酶依次催化而來?！辟R海燕通過生物信息學(xué)分析，在69個放線菌基因組中發(fā)現(xiàn)了類似的O-甲基氮酸酯的合成途徑。而在另外61個放線菌基因組中，氮酸單加氧酶（Nitronate monooxygenase）取代了O-甲基轉(zhuǎn)移酶。另外，通過體外實驗，證實了該類氮酸單加氧酶可以催化氮酸中間體的轉(zhuǎn)化，生成乙醛酸產(chǎn)物，并釋放亞硝酸。賀海燕的此項成果發(fā)表于頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·化學(xué)》（Nature Chemistry）?！八a(chǎn)的是亞硝酸，這跟酶生物的氮循環(huán)也是有關(guān)系的，和我之前亞硝酸的研究是相關(guān)聯(lián)的?！?/p>

在加拿大工作的6年時間里，賀海燕的研究和實驗進展得很順利，他先后對2個結(jié)構(gòu)特殊、活性顯著的化合物生物合成途徑中特殊酶反應(yīng)及機制進行了解析，取得了多項原創(chuàng)性的成果。但回國是他出國時就已經(jīng)決定好的事情，2021年2月，他踏上了回國的飛機，這一站的目的地是中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所。

歸來

賀海燕的回國之路異常漫長，因為疫情的影響，他從溫哥華到廈門，廈門到西安，西安到北京，前前后后一共隔離了28天，但賀海燕的心情仍然是雀躍的。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所是我國抗感染與微生物藥物研發(fā)與人才培養(yǎng)的重要基地，也是國家創(chuàng)新藥物研發(fā)的主要單位之一，研究內(nèi)容覆蓋了從化合物到前導(dǎo)藥物到臨床藥物的各個方面，設(shè)有先進的化合物活性篩選及前導(dǎo)藥物開發(fā)平臺，也擁有豐富的制藥企業(yè)合作經(jīng)驗?！拔抑灰业揭恍┗钚苑肿?，很快就能進行前期的測試，大大加快我的實驗進度。”此外，在硬件支持方面，研究所給他提供了100平方米的實驗室、40平方米的辦公室，以及500萬元的啟動經(jīng)費。實驗室的裝修、需要采購的儀器，賀海燕早已列好了清單，聯(lián)系了相關(guān)的公司。同時，研究所也為他配備了科研助手和每年兩名的研究生招生名額，很快組建起了科研團隊，研究組科研工作逐步步入正軌。

面對未來，賀海燕有著非常清晰的規(guī)劃。在過去30年，科學(xué)家闡述了大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然產(chǎn)物的生物合成途徑，同時發(fā)現(xiàn)了各種各樣的酶催化反應(yīng)，幾乎涵蓋了所有化學(xué)反應(yīng)的類型。賀海燕很清楚，未來微生物制造和微生物天然產(chǎn)物合成生物學(xué)的研究將起到舉足輕重的作用，因此，微生物制造和天然產(chǎn)物藥物開發(fā)，是他今后的兩大研究方向。

“現(xiàn)在的化學(xué)合成有兩個缺點：一是不夠經(jīng)濟，二是不夠環(huán)保。所以我希望開發(fā)一種生物的方法來生產(chǎn)很多化學(xué)品，類似綠色生物制造?！辟R海燕有著自己的思考，生物體內(nèi)有各種各樣的酶，這些酶能夠催化的化學(xué)反應(yīng)特別多，大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)，都能在生物體內(nèi)找到相應(yīng)的酶，只是這些酶不能直接用于生產(chǎn)，還需進一步優(yōu)化、篩選，才能滿足生產(chǎn)的需要。“開發(fā)綠色的生物催化劑，雖然需要很長的時間，但是前景很廣闊?！辟R海燕正在沿著這個方向來努力，他很有自信。

而天然產(chǎn)物作為藥物開發(fā)重要的先導(dǎo)化合物，其合成生物學(xué)研究將會推動新藥、新醫(yī)療策略的開發(fā)。賀海燕選中了放線菌，研究表明，超過一半的抗生素都是由放線菌產(chǎn)生的。放線菌的基因組較大，每個基因組包含有20～30個基因簇，但只有部分基因簇在實驗室的培養(yǎng)條件下是被激活的。未被激活的基因簇預(yù)示著更多新的天然產(chǎn)物有待被發(fā)現(xiàn)。近年來，超過6000株放線菌被測序，基因組數(shù)據(jù)庫越來越龐大，為基因組挖掘發(fā)現(xiàn)新天然產(chǎn)物提供了便利。“打個簡單的比方，一個放線菌可以產(chǎn)生十幾種抗生素，但在實驗室中培養(yǎng)時，只能生產(chǎn)三四種，也就是說每個放線菌里面還有超過10種抗生素沒有被發(fā)現(xiàn)?！辟R海燕希望能找到這些未知的抗生素，并結(jié)合醫(yī)藥生物技術(shù)研究所現(xiàn)有的平臺，篩選出一些具有良好活性的分子，將其應(yīng)用于某些前體藥物或臨床藥物的研究，為新藥物的開發(fā)作出貢獻。

天然產(chǎn)物的分離純化過程單調(diào)得有些枯燥，每周都在做相同的實驗，這是非常考驗?zāi)托暮图毿牡?。能否從重?fù)的實驗里找到異常的數(shù)據(jù)，再根據(jù)異常，著手下一步的改進呢？賀海燕總能從中獲得樂趣和挑戰(zhàn)，“這個領(lǐng)域正處在一個很好的發(fā)展時期，新的科學(xué)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，帶來了許多新的可能性，以前無法做到的，現(xiàn)在都可以做到”。

與16年前的自己相比，賀海燕已經(jīng)完成了當大學(xué)教授的目標?；叵肫鹱约鹤畛醯膱?zhí)念，他釋懷了，多年的科研經(jīng)歷讓他放下了對高考狀元的過度崇拜，孩子們健康快樂地成長和享受科研的樂趣才是最重要的。展望未來，看好天然產(chǎn)物生物合成這個領(lǐng)域的賀海燕，期待著能夠在中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所破解更多關(guān)于天然產(chǎn)物的謎題。