疫苗的话题在这几年有比较特殊的意义。疫苗是将病原微生物，如细菌和病毒等及其代谢产物，经过人工减毒、灭活或利用转基因等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。疫苗保留了病原菌刺激动物体免疫系统的特性。当动物体接触到这种不具伤害力的病原菌后，免疫系统便会产生一定的保护物质，如免疫激素、活性生理物质、特殊抗体等；当动物再次接触到这种病原菌时，动物体的免疫系统便会依循其原有的记忆，制造更多的保护物质来阻止病原菌的伤害。

一般情况下，人们对疫苗中激活免疫系统反应的抗原了解比较多。抗原是指能引起抗体生成的物质，是任何可诱发免疫反应的物质。疫苗之所以能发挥作用，本质就是含有特定病原微生物的抗原，这种抗原能激活免疫系统产生抗体或能激活免疫细胞。在抗原发挥作用的过程中，还需要一些物质作为辅助，这种辅助性物质类似佐料，能让免疫反应更强烈。这在免疫学上叫免疫佐剂。免疫佐剂简称佐剂，即非特异性免疫增生剂，指那 些同抗原一起或预先注入机体内能增强机体 对抗原的免疫应答能力或改变免疫应答类型 的辅助物质。佐剂可以具有免疫原性，也可无免疫原性。佐剂种类很多，尚无统一的分类方法，应用最多的是弗氏佐剂和细胞因子佐剂。佐剂的免疫生物学作用是增强免疫原性、增强抗体的滴度、改变抗体产生的类型、引起或增强迟发超敏反应，但佐剂的作用机制尚未完全明了，不同佐剂作用的机制也不尽相同。

随着利用病毒和各种抗原生成技术开发和大规模生产疫苗的竞赛，免疫在公共卫生中的重要作用得到了充分展示（1）。尽管疫苗佐剂不经常成为人们关注的焦点，但它在调节免疫反应方面至关重要（2）。因此，有效的佐剂在抗击当前和新出现的疾病方面是必不可少的。在最新3月23日《科学》第1252页，Reed等人（3）报告了生产QS-7的管道，QS-7是一种来自稀有智利皂皮树（Quillaja saponaria）的有前途的疫苗佐剂。通过阐明QS-7在原生植物中的生物合成并在烟草亲戚本氏烟草中重建该途径，作者获得了毫克量的QS-7，为这种有价值的佐剂及其衍生物的工业规模生产铺平了道路。

智利肥皂树是智利，秘鲁和玻利维亚难以进入地区的特有种，传统上用于医药和肥皂，而工业多年来一直依靠其树皮提取物来生产食品添加剂和发泡剂（4）。最近，该树因其能够在其内树皮中产生重要的疫苗佐剂（如QS-21，QS-7和QS-17）而受到关注（3）。这些佐剂被添加到疫苗中，它们促进更高激活和更持久的免疫反应（2）。尽管佐剂的作用机制仍在研究中，但佐剂对于产生疫苗免疫应答很重要（2）。例如，QS-21已用于针对带状疱疹的人类疫苗，QS-7和QS-17存在于一些COVID-19候选疫苗中。尽管具有强大的治疗价值，但目前全球QS佐剂的供应仅足以生产6万剂疫苗，因为佐剂分离需要10年或更长时间的成熟树木（5）。此外，由于QS结构的复杂性挑战了传统的化学合成，因此了解天然树中的QS生物合成为可持续地获得这些药物提供了机会。

QS佐剂属于一组次级代谢物，称为三萜类糖苷或皂苷。这些化合物的特征在于存在不同糖基化的五环三萜支架。可识别的代表包括来自人参的抗炎人参皂苷和来自燕麦的抗菌阿维那辛（6）。尽管皂苷的生物合成已经得到了广泛的研究，但Reed等人实现了发现和重构一系列16种酶的壮举，从而从7，2-氧代角鲨烯（三萜类化合物的普遍前体）中完全生物合成了QS-3。支架环化酶的发现，然后是选择性地进行九次连续糖基化反应的定制细胞色素P450酶和糖基转移酶，主要由基因组组装，基因共表达分析和生物合成基因簇预测工具（如plantiSMASH）提供支持。然后将每种酶在本氏猪笼草中瞬时表达并进行活性测试，同时对糖基化中间体进行稳健分析。最后，通过农杆菌接种的基因转化，在本氏猪笼草中组装了总共11个酶步骤和14种酶，从而在7天内从7株植物中获得了每克叶片（干重）9.11μg的最终QS-410产量，总共5 mg（见图）。

 A booster for vaccines from plants | Science

疫苗佐剂QS-7的生物合成

在智利皂皮树（Quillaja saponaria）中，QS-7的形成依赖于三萜样支架环化酶的作用，然后是细胞色素P450酶，从前体2，3-氧化角鲨烯形成主要的萜类酸支架。糖基转移酶和乙酰转移酶进行一系列修饰以产生最终的疫苗佐剂。

重建植物生物合成途径以在异源系统中产生天然产物是传统化学合成和从本地植物中提取的有希望的替代方案（7）。本氏猪笼草平台由于其低维护成本和耐受许多异源酶共表达的多功能性，在途径组装中变得越来越普遍。最近的例子包括农药士的宁的生物合成和调味和生物杀虫柠檬苦素（8，9）。随着QS-7及其类似物的生产，Reed等人展示了本氏猪笼草作为一个平台，可以扩展天然产物的生产能力和化学空间。

Reed等人的研究揭示了参与支架和修饰植物化学物质复杂结构的各种类型的酶的组合。有趣的是，虽然糖基化通常由单个糖基转移酶催化，但QS-28支架中C-7糖链的D-岩藻糖基化需要额外的短链脱氢酶/还原酶（SDR）“辅助”酶。智利皂皮树基因组中编码这种糖基转移酶-SDR对的基因聚类表明了合理的调节作用，并强调了评估基因簇以加速途径发现的可能性。需要进一步的生理和机理研究来充分表征SDR辅助。然而，这项工作说明了植物生物合成途径的复杂性，强调了基因组中生物合成基因的排列，催化级联中的酶和辅助元素如何协同工作以合成复杂的植物化学物质。在QS-7生物合成中发现SDR辅助酶和其他酶也扩展了使天然产物多样化和设计自然新分子的催化工具箱。

具有很少或没有已知中间体和难以表达的酶的多步生物合成途径挑战了植物中特殊代谢的研究（7）。Reed等人的研究将QS-7添加到有限数量的植物天然产物中，这些植物天然产物具有完全阐明的生物合成途径和更短的化合物列表，其途径在异源系统中重组以实现可扩展生产。QS-7的大规模生物合成将需要进一步优化本氏猪笼草系统，以最大限度地减少不需要的副产物和代谢瓶颈。然而，这项研究说明了基于组合测序的基因组重建和具有通路重建的基因表达分析如何加速植物代谢的研究和工程。随着测序技术的进步，更多的计算工具，如人工智能平台、机器学习和逆向生物合成，预计将处于为基因挖掘和途径鉴定创建新的数据库和工具的前沿（10）。目前，Reed等人提供了一种获取急需的疫苗佐剂的途径，也是为什么植物生物合成能力和相关基因组特征值得我们关注的又一个例子。

参考文献

1. N. Pardi, M. J. Hogan, F. W. Porter, D. Weissman, Nat. Rev. Drug Discov. 17, 261 (2018).

2. B. Pulendran, P. S. Arunachalam, D. T. O’Hagan, Nat. Rev. Drug Discov. 20, 454 (2021).

3. J. Reed et al., Science 379, 1252 (2023).

4. J. D. Fleck et al., Molecules 24, 171 (2019).

5. G. Ragupathi, J. R. Gardner, P. O. Livingston, D. Y. Gin, Expert Rev. Vaccines 10, 463 (2011).

6. S. T. Mugford et al., Plant Cell 25, 1078 (2013).

7. B. D. Kwan, B. Seligmann, T.-D. Nguyen, J. Franke, T.-T. T. Dang, Curr. Opin. Plant Biol. 71, 102330 (2023).

8. 8B. Hong et al., Nature 607, 617 (2022).

9. R. De La Peña et al., Science 379, 361 (2023).

10.  W. Finnigan, L. J. Hepworth, S. L. Flitsch, N. J. Turner, Nat. Catal. 4, 98 (2021).