怀特黑德生物医学研究所的格里塔·弗莱尔 紫杉假种皮
信用:stanze，CC BY-SA 2
0 罗兰·克尔斯坦在当地超市的过道里挑选不同品种的土豆
这是怀特海研究所成员荆轲翁实验室的一名研究员为了收集不同的植物物种进行调查而进行的一次比较容易的收集之旅
当时是翁实验室博士后的克斯汀也在加利福尼亚和巴拿马海岸收集了标本
实验室成员定期追踪生长在哈佛大学庞大的阿诺德树木园中的不同物种
他们参观整个地区的植物园和植物仓库，或者如果他们在国外找不到他们需要的东西；最近，几位实验室成员去了育空地区的一个托儿所
翁让他的父母从中国给他送花粉
研究人员希望发现什么？植物充满了惊人的化学变化，其中许多是特定物种特有的
翁实验室想了解这种化学物质，以及它是如何被应用的
植物是静止的，所以不像动物，它们不能逃离捕食者或者从一个恶化的地方转移到一个更好的地方
相反，他们开发了一个巨大而多样的化学武器库来吸引授粉者，阻止或防御害虫，或者与世界互动
他们制造的一些化学物质已经被证明对人类有用，特别是作为药物
几千年来，传统医学一直利用植物化学，如在中国古代，用生姜治疗胃部不适，用柳树皮(阿司匹林的前体)缓解疼痛和炎症
从自然中发现药物一直延续到现代
除阿司匹林外，从植物中提取的成功药物还包括从青蒿中提取的抗疟药青蒿素和从紫杉中提取的抗癌药物紫杉醇
但是，随着成千上万种植物物种的存在，许多只限于小区域，许多植物的药用潜力仍未开发
翁希望在未开发或未充分利用的植物中发现新药，从传统医学中使用的植物开始，帮助指导他的研究
此外，由于制药业的需求经常超过大自然可持续提供的能力，翁开发了一种在更可扩展的系统中重现植物化学的系统
通过从自然中学习而不过度利用自然，翁的目标是帮助开发有效的新药来解决过多的医学问题，同时解决典型药物开发中的一些环境问题
药物研发的成本 大多数现代药物不是在自然界中发现的，而是在实验室中设计的
化学家在实验室里一步一步地操纵分子，进行一系列反应来制造药物
这一过程产生了有效的药物，但也有其局限性:研究人员通常创造二维或平面的化学结构，如分子串或分子片，以便于合成
植物可以在三维空间进行创新，创造出各种形状，比如由基本的线和片折叠而成的折纸，其结构可以在细胞内部进行更具体的互动
研究人员在创造复杂分子方面的效率也比植物低得多:一个植物用几个酶所能达到的效果可能需要在实验室里完成更多的化学转化——每一步的效率各不相同——而且所需要的复杂过程通常需要高能量和产生大量对环境有害的废物
随着研究人员对合成药物开发和生产的负面环境影响的认识和关注的增加，许多人转向“绿色化学”方法，以减少他们工作的环境足迹
一种更环保的方法是扩大对已经存在于自然界的药物的研究
直接从植物中获取药物消除了许多——尽管不是全部——与实验室中生产人造化学物质相关的能源消耗和污染
博士后罗兰·科尔斯顿研究了包括枸杞和土豆在内的植物如何产生可能治疗高血压的分子——甜菜碱
信用:左:枸杞，r CC BY 1
右:红土豆
信用:迈克莫扎特，CC BY 2
0 然而，从自然中收获有其自身的环境缺陷
随着对以植物为基础的药物需求的增加，这种植物可能会面临过度种植的风险
这已经是一些用于流行的健康补充剂的植物所关心的问题，例如西洋参、红参和加拿大黄参
一些植物，如紫杉，紫杉醇的来源，需要很长时间才能成熟并准备收割，这减少了药物的供应，给现有的人口带来压力
几种紫杉被认为处于危险之中，其他的则濒临灭绝
其他药用植物很稀有，或者只生长在特定的环境中——这些环境本身可能很脆弱
由于这些原因，供应商可能很难获得足够的植物性药物用于临床试验，更不用说大规模生产了
为了满足需求，他们冒着收获不可持续数量的植物并危及物种的风险
金根(红景天属)是翁实验室研究的对象，因为它能产生红景天苷(一种有助于治疗抑郁和疲劳等大脑和精神健康问题的化学物质)和卡瓦胡椒(胡椒属)，他们研究卡瓦胡椒的潜在镇痛和抗焦虑特性，这两种植物近年来都因作为草药的商业兴趣日益增长而遭受过度捕捞，这导致了对野生过度捕捞的担忧
从自然中获得而不流失 为了解决过度采集的风险，翁已经开发了一种药物开发管道，使得植物源药物可以大规模生产，而无需收获大量植物
翁和他的研究人员从寻找植物中有价值的化学物质开始
然后他们识别出植物用来制造他们感兴趣的分子的酶的完整流水线
他们利用这一信息，通过复制所有必需酶的基因，并将其插入选定的宿主，重建植物在新宿主中产生分子的生物途径，这些新宿主更适合大规模收获，如酵母、细菌和烟草
如果他们正确绘制了路径，新的宿主将开始产生所需的化学物质
实验室使用的宿主都相对容易生长，产生分子快，并且可以大规模养殖以提高产量
研究人员已经成功地对许多分子进行了研究，包括金根中的红景天苷；来自卡瓦的卡瓦内酯；甘氨酸，可能能够治疗高血压；水杨酸，常用于治疗痤疮和疣等皮肤病；更多
翁氏实验室复制植物化学的过程也允许他们在重新创造时通过改变酶的装配线来定制他们感兴趣的分子，让他们在已存在的分子上创造新的自然变异
这些变体可能是比原始分子更有效或更安全的药物，进一步扩大了可能来自植物的药物的潜在库
创建这条可扩展生产管道的目的是为了证明制造可持续的绿色药品是可能的
以这种方式大规模生产植物源药物将使药物生产更容易、更便宜，并保护物种及其自然栖息地免受过度捕捞的损害
保护环境对医学领域也很重要，因为在数十万种植物中的某个地方隐藏着下一种青蒿素或紫杉醇，等待像翁这样的研究人员来揭开它
保护我们周围未知的生物多样性给了研究人员一个发现这种药物的机会，而过度消耗我们的环境——通过过度砍伐和导致气候变化导致的植物多样性丧失——可能意味着这种大型药用植物在没有被注意到的情况下消失了，带着它的化学秘密走向灭绝
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