生物催化剂 贺海燕：探索大自然的馈赠
天然产物是大自然赐予人类的独特礼物，是指动植物的提取物或昆虫、海洋生物、微生物体内的成分或代谢产物，因其骨架结构复杂、具有良好的药用价值，受到科学家的广泛关注，对其进行结构鉴定和化学合成。
1928年，英国细菌学家亚历山大·弗莱明（ ）从具有抗革兰氏阳性菌作用的青霉菌中发现了青霉素，并因此获得了1945年的诺贝尔生理学或医学奖。青霉素的发现成为天然产物应用于临床研究的里程碑，人类进入了从天然产物中寻找新药的新时代。
如今现代药物研发依然离不开天然产物，数据显示，全球约2/3的临床药物来源于天然产物，其中包括60%的抗癌药物、75%的抗感染药物。
近30年来，科研人员在天然产物生物合成研究中取得了许多重大突破，为开发活性更高、生产成本更低的药物做出了巨大贡献。同时，通过天然产物生物合成的研究，发现了大量生物酶催化剂，可用于高附加值的化学品或临床药物的高效制备。
天然产物是大自然赐予人类的馈赠，其生物合成研究一直吸引着中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所研究员何海燕的探索热情。
《科学中国人》封面第二人：何海燕
痴迷
何海燕对大学教授和高考状元有着一种莫名的痴迷。
2002年，也就是高考的前一年，石方舟是陕西省高考理科状元。石方舟的父母都是大学教授，他和何海燕都是陕西神木人。受其影响，“学理科，当大学教授，然后把孩子培养成高考状元”是何海燕最初的人生目标。2003年高考结束后，18岁的他迅速做出选择，成功考入天津大学化学系，距离当时的人生目标又近了一步。
站在天津大学校门前，何海燕的第一印象是这扇大门比录取通知书的封面更漂亮、更有历史感。后来，在天津大学理学院的开学典礼上，院长的一番话让何海燕记忆犹新。
“院长说，我们从小学到高中一共读了12年，12年只是学习的一半，我们还有4年大学、5年的硕士和博士学习、3年的博士后学习，加起来就是接下来的12年。”
当何海燕回忆起这句话时，他发现自己经历了比随后的12年还要漫长的16年，在这漫长的岁月里，支撑他坚持下来的，是科研的快乐，是当大学教授的执着。
何海燕第一次接触科研是在大二暑假，他说自己“很幸运”被选进化学系李春宝教授的实验室，在李教授的课题组里，他接触到了书本上没有的科研实践。
“到了实验室之后，我开始意识到书本上的知识并不是最新的知识。”何海燕开始查阅一些新出版的文献，从这些文献中寻找新的实验方法，或者学习一些新技术。何海燕的英语基础不是很好，李春宝教授就鼓励他多看文献，多学一些专业术语。渐渐地，他喜欢上了看文献，学会了看文献的方法，甚至找到了前沿的小项目来做。
大四做毕业设计时，何海燕进入了化学系王建辉教授课题组，接触到了有机合成、催化机理等研究，对化学有了更深入的认识。怀着科研的热情，何海燕决定挑战自己，报考国内最难的化学研究所。
“中科院上海有机所是化学领域最难考的研究所，所以我就想试试。”何海燕总结说，自己是“幸运的”，虽然初试成绩垫底，但凭借复试的优异成绩，他成功“东山再起”，考入上海有机所，成为生命有机化学国家重点实验室唐功利课题组的一员。
加入唐功利课题组后，何海燕发现课题组的研究方向主要是微生物学，主要是抗生素药物研发。“我很快就做出了决定，从化学转到生物，开始研究抗生素等天然产物的生物合成。”何海燕很清楚，抗肿瘤和抗菌药物的研究与人类健康和相关疾病的治疗息息相关，是十分重要的研究。
它是假单胞菌属No.2663产生的一种具有高抗肿瘤活性的天然产物，研究表明它能抑制前mRNA的剪接，具有极高的抗肿瘤活性。聚酮链生物合成途径的解析是何海燕硕士、博士期间最重要的工作。
“它的活性很好，但在天然产物中产量极低，每升发酵产生的产量不足10毫克。所以它的来源是临床研究中一个特别大的问题。”
因此何海燕等人从该分子的结构入手，对其生物合成进行了十分细致的研究，成功在原始生产菌株 sp. No. 2663中鉴定出其生物合成基因簇，并明确该生物合成由反式AT型聚酮合酶与非核糖体肽酶的杂交体系催化。
“我们解决了其生物合成中所有关键步骤，后来辉瑞公司在我们工作的基础上改进了这种天然产物的生物合成方法，将产量提高了600多倍，达到每1L产品中2.4克，彻底解决了来源问题。”何海燕的研究成果发表在化学领域最权威的学术期刊之一《美国化学会志》上。
研究期间，何海燕注意到，聚酮合酶是最特殊的催化剂，它不仅具有神奇的“创造力”，而且具有极强的“创造力”，很多物质遇到它就会变成另一种新物质。他决定到加拿大不列颠哥伦比亚大学化学系做博士后研究，继续研究天然产物和生物合成机制。
“一方面，我觉得海外经历对于一个大学教授来说是一个必备的素质，另一方面，我也想看看海外的科研经历能不能给我带来什么特别的帮助。”何海燕秉持着最初的执着，向更深的科学领域迈进。
何海燕在加拿大工作照片
成长
刚到加拿大时，何海燕和实验室其他成员还不是很熟悉，交流也不多，只顾埋头做实验。但随着实验的进行，他渐渐敞开心扉，和大家熟悉起来，他觉得国外实验室和国内实验室没太大区别。
“我的导师懂得如何最大限度激发团队成员的潜力，就是让团队成员独立，独立选择课题，独立解决问题，这样他们才能更快成长。”何海燕也在这种独立中迅速成长。
在加拿大，何海燕主要研究酶催化反应，寻找一些特殊的生物分子，比如亚硝胺。“我们都知道亚硝胺分子有很强的致癌性，但我们还不知道它在生物体内是如何合成的。”
一般认为亚硝胺是在酸性条件下，由二级胺和亚硝酸自发反应生成的，但尚无充分证据。于是何海燕选择了链脲佐菌素（）进行研究。它是从链霉菌中分离出来的一种非常稀有的天然亚硝胺产物，由于其具有很强的细胞毒性和抗癌活性，已被开发为抗胰腺癌药物，并用于治疗危重患者。
何海燕首先从生产菌株中鉴定出链脲佐菌素生物合成基因簇，该基因簇中含有一个精氨酸甲基转移酶StzE；随后通过体外生化实验，证实StzE能催化精氨酸胍基单甲基化反应；又通过体内、体外实验互相辅助，明确证实了二铁依赖性氧化酶StzF能催化甲基精氨酸胍基的氧化并释放一氧化氮（NO）。
何海燕通过生物信息学分析发现，StzE和StzF这两个蛋白在很多微生物中都是成对存在的，说明这种一氧化氮合成途径具有普遍性。何海燕以第一作者身份在《美国化学会志》上发表了该研究的相关成果。该研究为探索微生物和植物中一氧化氮和亚硝胺分子合成的新途径提供了有力的指导。
此外，何海燕最重要的工作包括硝酸甲酯等天然产物的生物合成研究。
O-甲基氮酯是化学中一种特殊的1,3-偶极子，在温和条件下能与不饱和化合物发生环加成反应，生成五元杂环，在合成化学领域具有重要意义。“我们系统地研究了O-甲基氮酯的生物合成，彻底解决了它的生物合成途径，知道它来源于甘氨酸，依次由四种酶催化。”
何海燕通过生物信息学分析，在69株放线菌基因组中发现了相似的O-甲基硝酸盐合成途径，在另外61株放线菌基因组中，硝酸盐单加氧酶（）取代了O-甲基转移酶。此外，体外实验证实，该类硝酸盐单加氧酶可以催化硝酸盐中间体转化生成乙醛酸产物并释放亚硝酸盐。
何海燕的研究成果发表在顶级学术期刊《自然化学》上，“会产生亚硝酸盐，这也和酶的氮循环有关，和我之前对亚硝酸盐的研究有关联。”
在加拿大工作的6年间，何海燕的研究和实验进展顺利，他解析了两种结构特殊、活性显著的化合物生物合成途径中的特殊酶反应和机理，取得了许多原创性成果。但回国是他出国时就已经决定的事情。2021年2月，他踏上了回国的飞机，这一站的目的地是中国医学科学院药物生物技术研究所。
何海燕在实验室观察样品
返回
何海燕的回国之路异常漫长，因疫情影响，从温哥华到厦门、厦门到西安、西安到北京，一共被隔离了28天，但何海燕依然精神抖擞。
中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所是我国抗感染和微生物药物研发和人才培养基地，也是全国创新药物研发的主要单位之一，其研究涵盖从化合物到先导药物到临床药物的各个环节，拥有先进的化合物活性筛选和先导药物开发平台，并有丰富的与药企合作经验。“只要我找到一些活性分子，我就能很快进行初步测试，这大大加快了我的实验进度。”
此外，在硬件支持方面，研究所为他提供了100平米的实验室、40平米的办公室以及500万元的启动资金。何海燕早已列好了实验室装修、仪器采购清单，并联系了相关公司。同时，研究所还为他配备了研究助手，每年提供2个研究生招生名额。研究小组很快成立，课题组的研究工作逐渐步入正轨。
面向未来，何海燕有着非常清晰的规划。
近30年来，科学家阐明了大量复杂天然产物的生物合成途径，发现各种酶催化反应，几乎涵盖了所有类型的化学反应。何海燕很清楚，微生物制造和微生物天然产物合成生物学的研究将在未来发挥举足轻重的作用。因此，微生物制造和天然产物药物开发是他未来的两大研究方向。
“目前的化学合成有两个缺点，一是不够经济，二是不够环保。所以我希望开发一种生物的方法来生产很多化学品，类似绿色生物制造。”何海燕有自己的想法。
生物体中存在着各种各样的酶，这些酶可以催化各种各样的化学反应，对于大多数化学反应，在生物体中都可以找到相应的酶，但这些酶并不能直接用于生产，需要进一步优化和筛选才能满足生产的需要。
“虽然研发绿色生物催化剂还需要很长的时间，但前景非常广阔。”何海燕正在朝这个方向努力，他非常有信心。
天然产物是药物开发的重要先导化合物，其合成生物学研究将促进新药物和新医疗策略的开发。
何海燕选择的是放线菌。研究表明，超过一半的抗生素是由放线菌产生的。放线菌基因组很大，每个放线菌含有20到30个基因簇，但在实验室培养条件下，只有一部分基因簇被激活。未激活的基因簇表明，还有更多的新型天然产物等待被发现。
近年来，已有6000多株放线菌被测序，基因组数据库日益庞大，为通过基因组挖掘发现新的天然产物提供了便利。
“举个简单的例子，一株放线菌可以产生十几种抗生素，但在实验室培养时只能产生三四种，也就是说，每株放线菌中都有十几种抗生素没有被发现。”何海燕希望找到这些未知的抗生素，并结合医药生物技术研究所现有的平台，筛选出一些活性好的分子，应用到某些前体药物或临床药物的研究中，为新药研发贡献力量。
天然产物的分离纯化过程单调，有些枯燥。每周重复做同样的实验，考验的是耐心和细心。能否从重复的实验中发现异常数据，并根据异常进行下一步改进？何海燕总能从中获得乐趣和挑战。“这个领域正处于一个良好的发展时期，新的科学技术不断涌现，带来很多新的可能性，以前不可能的事情，现在可以做到。”
相比16年前的自己，何海燕已经实现了当大学教授的目标。回想起最初的执念，他已经放下了。多年的科研经历，让他放下了对高考状元的过度崇拜。孩子能健康快乐成长，享受科研的乐趣才是最重要的。展望未来，看好天然产物生物合成领域的何海燕，期待在中国医学科学院药物生物技术研究所破解更多有关天然产物的谜题。