在荷马的《奥德赛》中，女巫Circe给奥德修斯的同伴滑倒了一种毒药，引起失忆和幻觉。科学家推测1，Circe的混合物中含有植物金鸡草（Datura stramonium），该植物中含有称为托烷生物碱的药物，这些药物可用于治疗哮喘，流感症状和疼痛，并可以诱发致幻作用和其他精神作用。Tropane生物碱与大多数其他植物天然产物一样，通常仍是从自然资源中提取的，但是这种方法存在许多陷阱。例如，易受天气和市场波动可能会限制患者和研究人员访问，并提取能够对环境有害的2，3。另外，植物通常含有非常低水平的这些活性成分。Srinivasan和Smolke 在《自然》（Nature）杂志上发表的文章4报道了一种利用面包酵母酵母酿酒酵母的工程菌株生产可减轻这些局限性的托烷生物碱的另一种方法。

植物产生各种有助于它们适应和生存的特殊化合物。这些天然产物的生物合成通常涉及冗长的代谢途径，具有复杂的动力学和调控作用。一个在代谢工程领域的重大成就已能生产天然植物产品的微生物的开发5 - 7。但是，该方法远非常规，因为参与生物合成的酶通常是未知的，在微生物宿主中可能是无活性的，并且可以在不同的植物亚细胞区室，细胞或组织中分离。

Srinivasan和Smolke克服了这些挑战，生产出一种酿酒酵母菌株，该菌株可将简单的糖和氨基酸转化为两种托烷生物碱，hyoscyamine和scopolamine。这些托烷生物碱可阻断神经递质分子乙酰胆碱8的作用。它们被用于治疗恶心，肠胃问题，过多的身体分泌物和神经肌肉疾病，包括帕金森氏症9，10。

Srinivasan和Smolke对他们的酵母菌株进行了基因改造，使其过量表达了来自不同生活王国的26个基因。这些基因共同编码几种代谢酶和转运蛋白。作者取得成就的关键在于将酶和转运蛋白分为六个亚细胞位置的事实-胞质液，四个细胞器（线粒体，过氧化物酶，液泡和内质网）以及液泡膜。酶的亚细胞区室化可通过启用适当的酶活并分离代谢中间体以降低其毒性和对竞争途径的损失来改善产物的生物合成11。通过限制空间，分隔也增加了酶及其靶标之间的局部相互作用。因此，酶的这种分离类似于在化学工厂中发生的情况，在化学工厂中，不同的合成步骤在不同的反应器中进行，因此可以分别优化每个步骤以最大化生产率。

作者将author丝胺和东pol碱的生物合成途径分为五个模块（图1），他们在去年发表的工作中描述了前两个模块12。在模块I中，在部分线粒体中发生的一系列反应中，葡萄糖衍生的氨基酸谷氨酸被转化为另一种氨基酸精氨酸。然后，精氨酸在细胞质中转化为腐胺。在模块II中，除通过过氧化物酶体催化的一种催化酶和锚定于内质网膜上的酶催化的另一种催化作用以外，腐胺还通过多种胞质反应转化为托品碱（功能性核心，使烷生物碱得名）。

 在酵母中生产托烷生物碱分子。Srinivasan和Smolke 4改造了酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae从葡萄糖和氨基酸制造药物hyscycyamine和东pol碱。它们的生物合成途径分为五个模块，几种反应仅限于膜结合的细胞器。在模块I中，通过线粒体和胞质液中的代谢步骤将葡萄糖转化为腐胺分子。在模块II中，过氧化物酶体和内质网（ER）膜中的酶促反应可催化腐胺转化为Tropine。在模块III（与模块I和II并行发生）中，葡萄糖和氨基酸苯丙氨酸被转化为苯基乳酸葡萄糖苷（PLA葡萄糖苷）。在模块V中，将tropine和PLA葡萄糖苷转运到液泡中，并一起转化为littorine。最后，在模块IV中（其中一部分发生在ER膜中），将littorine转化为hyoscyamine，

模块III与胞浆中的模块I和II平行发生，并将葡萄糖和氨基酸苯丙氨酸转化为分子苯乳酸葡萄糖苷（PLA葡萄糖苷）。对于该模块，作者设计了他们的菌株以表达一种称为PLA UDP-葡萄糖基转移酶的酶，该酶在致命的茄属植物颠茄颠茄中发现，并催化PLA葡萄糖苷的产生。

模块II中产生的Tropine和模块III中产生的PLA葡萄糖苷被导入液泡中。接下来，在模块V中（由于其所有元素构成新发现，其编号被直观地反序编号），将Tropine和PLA葡萄糖苷转化为分子littorine。构建模块V涉及两个关键步骤。首先，Srinivasan和Smolke对他们的菌株进行了改造，使其从烟草植物Nicotiana tabacum表达转运蛋白，该蛋白将Tropine导入液泡。其次，他们改造了细胞，使其表达颠茄农杆菌酶littorine合酶（Ab LS）的变体。当在酵母中表达时，抗体LS在反式高尔基体网络（TGN；细胞器的一部分，称为高尔基体）中停滞，因此无法催化液泡卵石的生产。因此，作者将Ab LS 工程化为跨膜蛋白-默认情况下，这些蛋白从TGN转运至液泡。该Ab LS变体能够催化液泡中的鸟嘌呤产生。

该途径的最后一步，模块IV，部分发生在内质网的膜中。在该模块中，将littorine转化为hyoscyamine，然后转化为东pol碱。hyoscyamine生产的最后一步涉及酶hysycyamine脱氢酶（HDH），但编码该酶的基因是未知的。作者分析了颠茄农杆菌的基因表达谱数据集，以生成12个候选基因。他们在酵母菌株中表达了每种候选蛋白，以确定哪种具有所需的酶促活性。然后，他们将颠茄拟南芥中编码HDH的基因与其他植物的等价基因的活性进行了比较，最后从Circe的金森草中选择了该基因，最适合生产hyoscyamine和scopolamine。

除了这些步骤外，Srinivasan和Smolke还删除了酿酒酵母固有的消耗关键中间代谢物分子的酶，并过度表达了其他酶，以增加生物合成途径所需的代谢物产量。在一起，他们的工作是一项重大成就，证明了微生物平台具有潜力，能够以更便宜，更快，更可靠和更可持续的方式生产药品。他们的酵母菌株每升酵母培养物中仅产生几微克至毫克的托烷生物碱-仍不足以替代我们目前通过植物提取的生产方法。但是，这是实现该目标的重要里程碑。

为了进一步提高产量，有必要优化该途径的每个模块，因为要优化化工厂中的每个反应。这将涉及通过上调或下调天然酶来提高托烷生物碱的生物合成速率，促进跨亚细胞区室的代谢物运输，以及改善代谢瓶颈处酶的活性（阻碍该途径加快生物合成的关键步骤）。

展望未来，研究人员应探索Srinivasan和Smolke生物合成途径的可能排列。也许该途径的变化可能导致发现新药，这些新药具有改善的功效和减少的副作用。我们甚至可能发现用于治疗其他疾病的药物。