2019 酵素革新趋势与应用国际研讨会重点报导

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2019 “酵素革新趋势与应用国际研讨会——Design, Evolution and Application of Enzymes”于 11月 21~22日,在国家生技研究园区热烈展开。邀请到许多重量级国内外酵素领域研究专家,一同分享及探讨如何重新设计细胞的合成与代谢途径以解决污染及能源问题、如何调控生物体内酵素的表现及功能以治疗各种疾病、以及如何利用天然物的酵素反应途径开发新药等主题。帮助大家更了解酵素,知己知彼,百战不殆,未来可望设计出更有效且专一的药物及疗法,以促进全人类健康。

使用细胞进行碳管理:化学设计及演化

随着人类活动,大量二氧化碳排放量对气候影响甚钜,人类宁愿花大钱治疗疾病、却不愿花小钱解决气候问题,如今,科学家在微生物体中寻觅更高效率的固碳作用,盼重新设计生化代谢路径解决气候问题。中研院廖俊智院长研究专长在于代谢及合成生物学,特别在微生物合成燃料基础代谢路径改造领域有所钻研,开发出网络构成要素分析法(Network Component Analysis, NCA)及 Ensemble Modeling。一般而言,细胞透过氧化或非氧化作用代谢二氧化碳,然而二氧化碳损耗降低了固碳作用效率,廖院长研究团队以大肠杆菌及蓝藻(Synechococcus elongates)为模型修改生化路径,设计出非氧化糖解作用(non-oxidative glycolysis),以制造酒精(ethanol) 为例,NOG 较原始发酵反应不仅更有效率,并且以糖为原料更为经济。研究团队下一步运用该崭新的想法于基因编辑乃至演化学,期待微小的生化革新能对气候产生巨幅贡献。

中研院 廖俊智 院长

从蛋白质交互作用抑制剂到酵素替代治疗

多数疾病致病机转与细胞内蛋白质交互作用(protein-protein interactions, PPIs)相关,因此深入洞悉胺基酸和蛋白质结构及其相互作用有助于药物研发,美国俄亥俄州立大学(Ohio State University)Dehua Pei 博士,指出目前开发的药物仅对其中 20% 的蛋白质有作用,其团队发现了一系列的环状细胞穿膜肽(cyclic cell-penetrating peptides, CPPs)能够有效率地运送各类药物分子,包括小分子、氨基酸、蛋白质、核酸等进入细胞膜,更开发出细胞内酵素置换替代疗法(ERTs),透过运输具功能性的酵素或蛋白质解决遗传基因造成的功能缺陷。接着,他分享 Keap1- Nrf2 Inhibitors、Inhibitors of Calcineurin-NFAT interaction、Protein tyrosine phosphate inhibitors 等三大研究方向,盼为人类遗传性疾病提供治疗曙光。

美国俄亥俄州立大学 Dehua Pei 博士

合成真菌天然产物的新型酵素

大自然中许多酵素具有化学反应的催化能力,除此之外,还能从生物合成的过程中,从初级代谢产物生成非常多种的天然产物(natural products, NPs),天然产物(Natural product)可能具有较弱的活性、药物动力以及较差的抗生素耐药性,然而透过化学合成的加值,可让天然产物转变成具备足够活性的药物。而近年基因定序技术的发展,除让研究人员可进一步了解基因与天然产物的关联外,也发现对于产生 NPs 的物种其实还有相当多的未解之谜,比如约有 97% 的真菌生物合成基因丛尚未被清楚定义。类异戊二烯(Isoprenoids)广泛存在细菌、植物之中,是带有异戊二烯(isoprene)结构的天然产物,且只有极少数的酵素可以在生物合成的过程中产生类异戊二烯这类的天然产物。中研院生化所助理研究员 Hsiao-Ching Lin 博士的研究鉴别出可产出带有异戊二烯的生物碱(alkaloids)以及萜类(terpenoid)等 NPs 的生物合成基因簇,同时阐明目标基因失活、异源重组和生化特性等。研究过程透过基因剔除的体外试验,逐步找出在生物合成中的关键酵素,最终鉴别出CnsD及EasC两个新的催化剂类别,且确认可使用大肠杆菌(E. coli) 或是酵母菌来生产制造。本篇研究对于类异戊二烯生物合成酵素的了解,可以增加从基因序列来预测及开发新的类异戊二烯产物的能力。

中研院生化所助理研究员 Hsiao-Ching Lin 博士

从实验室到临床:新型激酶抑制剂用于癌症精准医疗

国家卫生研究院生技与制药研究所谢兴邦博士分享其所开发的新型激酶抑制剂(Kinase Inhibitor)与现有临床癌症药物的相比较。他以数据指出FDA核准的52个小分子激酶抑制剂有约 3/4 在近八年被核准,显示激酶抑制剂在临床上的重要性。而非小细胞肺癌(NSCLC)的靶向表皮生长因子受体(EGFR)的酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)在临床治疗上已显示出显著效果但治疗后可能产生耐药性的风险。而谢兴邦博士团队通过高通量合成平台设计并合成了一系列化合物(超过 150 种)。透过分析其结构活性关系并不断优化,发现在 Michael acceptor 上的 N,N-二甲基官能团以及苯基氨基乙醇侧链的S-chirality为必要的关键结构。其中一个化合物 DBPR112,已被确定是有效的 EGFR-TKI 临床候选药物之一,其对 EGFR L858R/T790M 和 EGFR/HER2 exon 20 插入的肿瘤显示出优异的抑制能力。 口服 DBPR112 对裸鼠皮下异种移植的人类肺癌细胞H1975的生长具有抑制作用。此外,DBPR112 在小鼠中比现有的临床药物妥复克(afatinib)更具耐受性。谢博士提及在研究过程中所面临的困境,有赖台湾 CRO 公司合作克服,显示药物在进入临床前的开发相当不易。目前所有的临床前研究均已完成,且 DBPR112 的 IND 申请在 2016 年获得美国及台湾食药署批准,已在台湾进行第一期临床试验。谢博士自信地表示:DBPR112 将会是目前非小细胞肺癌临床用药的强力竞争者。

国家卫生研究院生技与制药研究所 谢兴邦 博士

麸胺酸环化酶(QCs)标靶药物于阿兹海默症和癌症之治疗

麸胺酸环化酶(Glutaminyl cyclases, QCs)是含有锌的酵素,其可催化某些生物活性蛋白质和胜肽的N端焦麸胺酸(pyroglutamate, pGlu)形成。人体已发现分泌性(sQCs)以及位于高基氏体上(gQCs)二种 QCs,且 QCs 已被证实可做为多种疾病的药物靶点,包含阿兹海默氏症(Alzheimer’s disease, AD)、免疫疾病、亨丁顿氏症(Huntington’s disease)以及癌症。关于做为阿兹海默症的药物靶点,因为当sQCs被抑制时,会透过调降pGlu修饰 A-beta 片段来减缓 AD 的病理症状。中研院生化所资深研究员 Kai-Fa Huang 博士的研究团队透过系统性的结构设计找出 sQC 的最佳抑制活性(Ki-7nm)、最佳口服剂量,并且几乎无毒性。除了 sQCs 以外,由于 gQCs 的抑制剂可透过遏止 pGlu 在 CD47 N 端的合成来阻挡 CD47-SIRPalpha 免疫检查点,因此 gQCs 也被认为是治疗多种癌症的药物靶点之一,而从 Kai-Fa Huang 博士团队的研究中,可发现该团队所合成的 sQCs 抑制剂,可能比 gQCs 抑制剂更强而有力,因此也有望开发成为癌症药物,研究极具潜力,可谓一箭双雕。

中研院生化所资深研究员 Kai-Fa Huang 博士

过渡态类似物候选药物

酵素在化学反应中会产生一个能量高且不稳定的状态称为过渡态(transition state, TS),而 TS 类似物能稳定其过渡态的结构变化,使反应无法完成。埃尔伯特爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)Vern Schramm 教授以嘌呤核苷磷酸化酶(Purine Nucleoside Phosphorylase, PNP)为例,分享其 PNP 的过渡态结构,并且开发其类似物 immucillin-H 以及其抑制剂 DADMe-ImmG。DADMe-ImmG 能有效抑制恶性疟原虫感染灵长类动物的状况。另外,从 5′-甲基硫代腺苷核苷酶(MTAN)过渡态设计其抑制剂 BTDIA,抑制幽门杆菌。

埃尔伯特爱因斯坦医学院 Vern Schramm 教授

脂肪酶与脂质表面层的活性

Novozymes 的 Allan Svendsen 博士分享脂肪酶与脂质表面层的活性的关联性,以疏棉状嗜热丝孢菌脂肪酶(thermomyces lanuginosus lipase, TLL)为例。与亲水性表面相比,TLL 既对疏水性表面具有更高的亲和力,又有较高的吸附量。但在较低的表面覆蓋率下在亲水性表面上的厚度减小, 透过 TLL 结构的部分展开来解释。TLL 盖区(lid)结构会在不同介电体的间期打开,在水界面处关闭。透过修饰其盖区结构来影响其活性。当 TLL 表面覆蓋率降低时,其大多数活性仍然存在,且横向扩散在亲水性表面上最高,另外,高度横向迁移率可能导致活性部位对溶液的暴露时间更长,进而增加了对水溶性底物的活性。另外,透过全内反射萤光相关光谱法(TIRFCS)量化 TLL 表面活性剂对蛋白质吸附的影响。接着,他提到天然抑制剂借由夹住脂肪使其保持原味或覆蓋成熟脂肪酶的表面结合位等机制来抑制该酵素的活性。此外,在移除细胞致命性活动和胜肽前后无法折叠或协助转译则是天然抑制剂的使用时机。

Novozymes 的 Allan Svendsen 博士

从大肠杆菌生产衣康酸

衣康酸(Itaconic acid)为杰出的聚合物前躯体,可应用于广泛产业,如涂料、造纸、医药、农药、轻工。工研院 Peiching Chang 提到,1966 年起,产业以土曲菌(Aspergillus terreus) 酦酵生产衣康酸的制程,其衣康酸效价(titer)为 60-80 g/L,生产力为 0.5 g/L/h,但土曲菌有菌丝易缠绕影响质传,生长速度相对缓慢,须借由孢子繁殖。因此,工研院借由大肠杆菌,以葡萄糖、戊醛糖、甘油作为基质,利用代谢工程来合成衣康酸。最佳应变条件为:CAD、AcnB、GltA、Pyc 过度表现,其中 18 g/L 来自于葡萄糖,20 g/L 来自于戊醛糖,20 g/L 来自于甘油。然后,在馈料批次生物反应器(fed-batch bioreactor)中,借由高密度发酵产生衣康酸。土曲菌发酵时间为 6 天,其衣康酸 titer 为 82 g/L,然而,工研院的大肠杆菌发酵时间仅 2 天,其衣康酸 titer 为 85 g/L。最后,她提到,透过衣康酸衍生物制成热塑性聚酯弹性体(TPEE)。

工研院 Peiching Chang

从产业观点来看药物标靶酵素

Axcelead Drug Discovery Partners 的 Kengo Okada 分享,产业观点来看药物标靶酵素,以肠胜肽酶(enterpeptidase)、离胺酸特异性去甲基酶(lysine specific demethylase 1,LSD1)为例。肠胜肽酶于肠道表面表现,肠胜肽酶抑制剂具共价结合能力且选择性低,不容易被人体吸收,所以副作用低,且低蛋白酶选择性而使其体内或体外有强烈的药物效率,仍在临床试验。Tranylcypromine 不可逆相关 LSD1 抑制剂会与辅酶黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin adenine dinucleotide, FAD)结合,破坏 LSD-1-GF11B 复合体,造成血液毒性。但另一个 LSD1 抑制剂 T-448对  LSD-1-GF11B 复合体影响较小,更安全。另外,T-448 增加大脑 H3K4 甲基化,且修复 NMDA 受体功能低下小鼠的学习功能。

Axcelead Drug Discovery Partners 的 Kengo Okada

本次酵素会议报导由“财团法人生化科技教育基金会”赞助。

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