天然药物生物智造

自2005年独立工作以来，一直致力于“合成生物学”领域的教学与科研，建立了天然产物“新分子、新反应、新药物”上下贯通的“天然药物生物智造”研究新范式。

1. 新分子：基于近20年鬼臼类抗肿瘤新药创制的经验，采用经典药物化学理论与人工智能相结合的方式，以鬼臼毒素作为天然产物研究的典型代表，将人工智能的自适应学习、先进算法和逻辑推演等核心技术应用到鬼臼类抗癌靶向创新药物的研发源头，结合临床癌症大数据、肿瘤药物靶点数据库、药物信息数据库以及化学空间等，建立以成药为导向的鬼臼类靶向药物分子智能设计系统，将鬼臼毒素从传统细胞毒类天然药物设计改造为抑制肿瘤特异性靶点的靶向新药。在此基础上，运用多属性融合深度学习模型ADMET3.0，通过活性毒性、药代、物理化学性质等计算预测，从而迭代设计了预期较上市药物具有更好成药性和填补激酶突变肿瘤靶向药物临床空白的一系列新分子。

2. 新反应：基于天然产物知识引导与人工产物数据驱动相融合，挖掘合成途径的关键酶并解析其催化机制，理性设计并构建了C-S键、C-NH键、C-O键合成反应的人工合成途径：(1) 美国FDA批准药物中，含硫药物约占23%，其中含C-S键药物达80%。目前主要通过有机金属催化来高选择性地构筑C-S键，但硫亲核性强、易毒化金属，限制了该类方法的使用。因此，研究C-S键构筑的新方法一直是合成科学领域的重点与难点。首次实现了生物法不对称C-S键构筑，开发了高选择性的“引硫”新策略，相较于天然产物C-S键合成机制的解析，真正意义上通过生物法引入非天然硫供体实现了C-S键不对称构筑，促进了手性含硫药物的开发。(2) FDA批准的药物中，90% 含有C-NH键，其中40% 为手性C-NH键。制药领域大约每六个反应就有一个涉及到C-NH键的构筑，其中约四分之一的C-NH键是通过不对称氢化实现，2001年Knowls和Noyori因其在该领域的巨大贡献而被授予诺贝尔化学奖。但是目前用于不对称氢化的催化剂基本上都是基于铑、钌、钯等贵金属，高毒性和高成本限制了其应用，因此亟需开发绿色构筑C-NH键方法。首次通过微生物催化实现了复杂C-NH键的不对称构筑，突破了目前酶法只能合成简单C-NH键及外加辅因子成本的限制。(3) C-O键广泛存在于生物活性分子中，如何高效构建不对称的C-O键一直备受关注。针对分子结构复杂的C-O键糖基取代鬼臼类候选药物，建立了“酶—化学—化学”3步合成4'-去甲基表鬼臼毒素-β-D-葡萄糖甙，总产率由5步化学法合成的5%提升至53%。基于以上成功经验及成果基础，拟建立人工产物生物合成途径的智能设计系统，突破目前人工生物合成途径设计中纬度高、样本小、精度差等瓶颈。

3. 新药物：发展高精度高效率的候选药物安全性、有效性、药代性质等成药性预测深度学习，揭示人工智能与成药性评价的底层逻辑，建立人工智能辅助重要活性天然产物衍生物成药性评价的方法，降低候选药物后期开发风险，提高新药开发成功率及经济性。已挖掘到系列鬼臼类抗肿瘤候选药物：(1) 细细胞毒药物具有抑制细胞增殖并诱导死亡的功效，曾是肿瘤化疗的首选药物。然而，细胞毒药物对肿瘤组织和正常组织均有毒性，导致临床中常发生药物不良反应或诱发药源性疾病。近年来，肿瘤化疗首选药物已从广谱细胞毒药物转变为靶向性药物。将鬼臼毒素由细胞毒类药物改造为靶向肿瘤突变型激酶的候选药物。该候选药物对6种以上激酶突变型肿瘤细胞均具有纳摩尔级抗肿瘤活性且体内安全性高，而FDA批准上市的2款药物仅能治疗1种激酶突变型肿瘤；(2) 肝癌具有发病率高、生存率低等特点，我国每年肝癌新发病例和死亡病例占全球近50%。目前，中晚期肝癌治疗仍以化疗为主，但毒副作用强、疗效弱。成功挖掘到特异性阻断肝癌代谢的鬼臼类候选药物，有望开发为高效低毒的抗肝癌I类新药；(3) 1986年美国FDA批准的鬼臼类药物“替尼泊苷”用于治疗恶性淋巴瘤，但存在严重的贫血、骨髓抑制、消化系统损伤等毒副作用，导致该药逐渐退市。将低毒性药效团引入濒临退市的替尼泊苷分子结构中，挖掘到DNA毒性显著降低的候选药物，有望为降低靶向拓扑异构酶II药物的DNA毒性提供普适性的方法。

 “天然药物生物智造”研究新范式预期可为天然产物“出新率低、成药性差、合成效率低”研究瓶颈的突破提供解决方案，革新天然药物制造研发范式，将传统天然药物研发的高风险和长周期转化为人工智能辅助的新药发现与高效制造的主动创新，推动天然产物生物“制药”到“智药”的转变。