2019 酵素革新趨勢與應用國際研討會重點報導

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2019 「酵素革新趨勢與應用國際研討會——Design, Evolution and Application of Enzymes」於 11月 21~22日,在國家生技研究園區熱烈展開。邀請到許多重量級國內外酵素領域研究專家,一同分享及探討如何重新設計細胞的合成與代謝途徑以解決污染及能源問題、如何調控生物體內酵素的表現及功能以治療各種疾病、以及如何利用天然物的酵素反應途徑開發新藥等主題。幫助大家更了解酵素,知己知彼,百戰不殆,未來可望設計出更有效且專一的藥物及療法,以促進全人類健康。

使用細胞進行碳管理:化學設計及演化

隨著人類活動,大量二氧化碳排放量對氣候影響甚鉅,人類寧願花大錢治療疾病、卻不願花小錢解決氣候問題,如今,科學家在微生物體中尋覓更高效率的固碳作用,盼重新設計生化代謝路徑解決氣候問題。中研院廖俊智院長研究專長在於代謝及合成生物學,特別在微生物合成燃料基礎代謝路徑改造領域有所鑽研,開發出網路構成要素分析法(Network Component Analysis, NCA)及 Ensemble Modeling。一般而言,細胞透過氧化或非氧化作用代謝二氧化碳,然而二氧化碳損耗降低了固碳作用效率,廖院長研究團隊以大腸桿菌及藍藻(Synechococcus elongates)為模型修改生化路徑,設計出非氧化糖解作用(non-oxidative glycolysis),以製造酒精(ethanol) 為例,NOG 較原始發酵反應不僅更有效率,並且以糖為原料更為經濟。研究團隊下一步運用該嶄新的想法於基因編輯乃至演化學,期待微小的生化革新能對氣候產生巨幅貢獻。

中研院 廖俊智 院長

從蛋白質交互作用抑制劑到酵素替代治療

多數疾病致病機轉與細胞內蛋白質交互作用(protein-protein interactions, PPIs)相關,因此深入洞悉胺基酸和蛋白質結構及其相互作用有助於藥物研發,美國俄亥俄州立大學(Ohio State University)Dehua Pei 博士,指出目前開發的藥物僅對其中 20% 的蛋白質有作用,其團隊發現了一系列的環狀细胞穿膜肽(cyclic cell-penetrating peptides, CPPs)能夠有效率地運送各類藥物分子,包括小分子、氨基酸、蛋白質、核酸等進入細胞膜,更開發出細胞內酵素置換替代療法(ERTs),透過運輸具功能性的酵素或蛋白質解決遺傳基因造成的功能缺陷。接著,他分享 Keap1- Nrf2 Inhibitors、Inhibitors of Calcineurin-NFAT interaction、Protein tyrosine phosphate inhibitors 等三大研究方向,盼為人類遺傳性疾病提供治療曙光。

美國俄亥俄州立大學 Dehua Pei 博士

合成真菌天然產物的新型酵素

大自然中許多酵素具有化學反應的催化能力,除此之外,還能從生物合成的過程中,從初級代謝產物生成非常多種的天然產物(natural products, NPs),天然產物(Natural product)可能具有較弱的活性、藥物動力以及較差的抗生素耐藥性,然而透過化學合成的加值,可讓天然產物轉變成具備足夠活性的藥物。而近年基因定序技術的發展,除讓研究人員可進一步了解基因與天然產物的關聯外,也發現對於產生 NPs 的物種其實還有相當多的未解之謎,比如約有 97% 的真菌生物合成基因叢尚未被清楚定義。類異戊二烯(Isoprenoids)廣泛存在細菌、植物之中,是帶有異戊二烯(isoprene)結構的天然產物,且只有極少數的酵素可以在生物合成的過程中產生類異戊二烯這類的天然產物。中研院生化所助理研究員 Hsiao-Ching Lin 博士的研究鑑別出可產出帶有異戊二烯的生物鹼(alkaloids)以及萜類(terpenoid)等 NPs 的生物合成基因簇,同時闡明目標基因失活、異源重組和生化特性等。研究過程透過基因剔除的體外試驗,逐步找出在生物合成中的關鍵酵素,最終鑑別出CnsD及EasC兩個新的催化劑類別,且確認可使用大腸桿菌(E. coli) 或是酵母菌來生產製造。本篇研究對於類異戊二烯生物合成酵素的了解,可以增加從基因序列來預測及開發新的類異戊二烯產物的能力。

中研院生化所助理研究員 Hsiao-Ching Lin 博士

從實驗室到臨床:新型激酶抑制劑用於癌症精準醫療

國家衛生研究院生技與製藥研究所謝興邦博士分享其所開發的新型激酶抑制劑(Kinase Inhibitor)與現有臨床癌症藥物的相比較。他以數據指出FDA核准的52個小分子激酶抑制劑有約 3/4 在近八年被核准,顯示激酶抑制劑在臨床上的重要性。而非小細胞肺癌(NSCLC)的靶向表皮生長因子受體(EGFR)的酪氨酸激酶抑製劑(TKIs)在臨床治療上已顯示出顯著效果但治療後可能產生耐藥性的風險。而謝興邦博士團隊通過高通量合成平台設計並合成了一系列化合物(超過 150 種)。透過分析其結構活性關係並不斷優化,發現在 Michael acceptor 上的 N,N-二甲基官能團以及苯基氨基乙醇側鏈的S-chirality為必要的關鍵結構。其中一個化合物 DBPR112,已被確定是有效的 EGFR-TKI 臨床候選藥物之一,其對 EGFR L858R/T790M 和 EGFR/HER2 exon 20 插入的腫瘤顯示出優異的抑制能力。 口服 DBPR112 對裸鼠皮下異種移植的人類肺癌細胞H1975的生長具有抑制作用。此外,DBPR112 在小鼠中比現有的臨床藥物妥復克(afatinib)更具耐受性。謝博士提及在研究過程中所面臨的困境,有賴台灣 CRO 公司合作克服,顯示藥物在進入臨床前的開發相當不易。目前所有的臨床前研究均已完成,且 DBPR112 的 IND 申請在 2016 年獲得美國及台灣食藥署批准,已在台灣進行第一期臨床試驗。謝博士自信地表示:DBPR112 將會是目前非小細胞肺癌臨床用藥的強力競爭者。

國家衛生研究院生技與製藥研究所 謝興邦 博士

麩胺酸環化酶(QCs)標靶藥物於阿茲海默症和癌症之治療

麩胺酸環化酶(Glutaminyl cyclases, QCs)是含有鋅的酵素,其可催化某些生物活性蛋白質和胜肽的N端焦麩胺酸(pyroglutamate, pGlu)形成。人體已發現分泌性(sQCs)以及位於高基氏體上(gQCs)二種 QCs,且 QCs 已被證實可做為多種疾病的藥物靶點,包含阿茲海默氏症(Alzheimer’s disease, AD)、免疫疾病、亨丁頓氏症(Huntington’s disease)以及癌症。關於做為阿茲海默症的藥物靶點,因為當sQCs被抑制時,會透過調降pGlu修飾 A-beta 片段來減緩 AD 的病理症狀。中研院生化所資深研究員 Kai-Fa Huang 博士的研究團隊透過系統性的結構設計找出 sQC 的最佳抑制活性(Ki-7nm)、最佳口服劑量,並且幾乎無毒性。除了 sQCs 以外,由於 gQCs 的抑制劑可透過遏止 pGlu 在 CD47 N 端的合成來阻擋 CD47-SIRPalpha 免疫檢查點,因此 gQCs 也被認為是治療多種癌症的藥物靶點之一,而從 Kai-Fa Huang 博士團隊的研究中,可發現該團隊所合成的 sQCs 抑制劑,可能比 gQCs 抑制劑更強而有力,因此也有望開發成為癌症藥物,研究極具潛力,可謂一箭雙鵰。

中研院生化所資深研究員 Kai-Fa Huang 博士

過渡態類似物候選藥物

酵素在化學反應中會產生一個能量高且不穩定的狀態稱為過渡態(transition state, TS),而 TS 類似物能穩定其過渡態的結構變化,使反應無法完成。埃爾伯特愛因斯坦醫學院(Albert Einstein College of Medicine)Vern Schramm 教授以嘌呤核苷磷酸化酶(Purine Nucleoside Phosphorylase, PNP)為例,分享其 PNP 的過渡態結構,並且開發其類似物 immucillin-H 以及其抑制劑 DADMe-ImmG。DADMe-ImmG 能有效抑制惡性瘧原蟲感染靈長類動物的狀況。另外,從 5′-甲基硫代腺苷核苷酶(MTAN)過渡態設計其抑製劑 BTDIA,抑制幽門桿菌。

埃爾伯特愛因斯坦醫學院 Vern Schramm 教授

脂肪酶與脂質表面層的活性

Novozymes 的 Allan Svendsen 博士分享脂肪酶與脂質表面層的活性的關聯性,以疏棉狀嗜熱絲孢菌脂肪酶(thermomyces lanuginosus lipase, TLL)為例。與親水性表面相比,TLL 既對疏水性表面具有更高的親和力,又有較高的吸附量。但在較低的表面覆蓋率下在親水性表面上的厚度減小, 透過 TLL 結構的部分展開來解釋。TLL 蓋區(lid)結構會在不同介電體的間期打開,在水界面處關閉。透過修飾其蓋區結構來影響其活性。當 TLL 表面覆蓋率降低時,其大多數活性仍然存在,且橫向擴散在親水性表面上最高,另外,高度橫向遷移率可能導致活性部位對溶液的暴露時間更長,進而增加了對水溶性底物的活性。另外,透過全內反射螢光相關光譜法(TIRFCS)量化 TLL 表面活性劑對蛋白質吸附的影響。接著,他提到天然抑制劑藉由夾住脂肪使其保持原味或覆蓋成熟脂肪酶的表面結合位等機制來抑制該酵素的活性。此外,在移除細胞致命性活動和胜肽前後無法折疊或協助轉譯則是天然抑制劑的使用時機。

Novozymes 的 Allan Svendsen 博士

從大腸桿菌生產衣康酸

衣康酸(Itaconic acid)為傑出的聚合物前軀體,可應用於廣泛產業,如塗料、造紙、醫藥、農藥、輕工。工研院 Peiching Chang 提到,1966 年起,產業以土麴菌(Aspergillus terreus) 醱酵生產衣康酸的製程,其衣康酸效價(titer)為 60-80 g/L,生產力為 0.5 g/L/h,但土麴菌有菌絲易纏繞影響質傳,生長速度相對緩慢,須藉由孢子繁殖。因此,工研院藉由大腸桿菌,以葡萄糖、戊醛醣、甘油作為基質,利用代謝工程來合成衣康酸。最佳應變條件為:CAD、AcnB、GltA、Pyc 過度表現,其中 18 g/L 來自於葡萄糖,20 g/L 來自於戊醛醣,20 g/L 來自於甘油。然後,在饋料批次生物反應器(fed-batch bioreactor)中,藉由高密度發酵產生衣康酸。土麴菌發酵時間為 6 天,其衣康酸 titer 為 82 g/L,然而,工研院的大腸桿菌發酵時間僅 2 天,其衣康酸 titer 為 85 g/L。最後,她提到,透過衣康酸衍生物製成熱塑性聚酯彈性體(TPEE)。

工研院 Peiching Chang

從產業觀點來看藥物標靶酵素

Axcelead Drug Discovery Partners 的 Kengo Okada 分享,產業觀點來看藥物標靶酵素,以腸胜肽酶(enterpeptidase)、離胺酸特異性去甲基酶(lysine specific demethylase 1,LSD1)為例。腸胜肽酶於腸道表面表現,腸胜肽酶抑制劑具共價結合能力且選擇性低,不容易被人體吸收,所以副作用低,且低蛋白酶選擇性而使其體內或體外有強烈的藥物效率,仍在臨床試驗。Tranylcypromine 不可逆相關 LSD1 抑制劑會與輔酶黃素腺嘌呤二核苷酸(Flavin adenine dinucleotide, FAD)結合,破壞 LSD-1-GF11B 複合體,造成血液毒性。但另一個 LSD1 抑制劑 T-448對  LSD-1-GF11B 複合體影響較小,更安全。另外,T-448 增加大腦 H3K4 甲基化,且修復 NMDA 受體功能低下小鼠的學習功能。

Axcelead Drug Discovery Partners 的 Kengo Okada

本次酵素會議報導由「財團法人生化科技教育基金會」贊助。

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