家里有矿的人如何做药物研发？

就像许多传奇故事一样，开篇总有神秘事件发生。经过一个暴风骤雨的夜晚，1995年11月14日清晨，美国蒙大拿州巴特镇的居民惊奇地发现，数百只雪雁尸体漂浮在小镇附近的矿坑湖面。它们也许是暴风雨夜前紧急降落在湖面上的，被发现时身上布满了烧灼式的伤口，白色的羽毛被染成病态的黄褐色。这群雪雁很不幸，它们降落在了有毒水域，该水域下就是曾经蒙大拿州最富的铜矿之一——被称为“伯克利坑（Berkeley Pit）”（图1）。这个矿坑中充满了致命的液体，pH值2.5，除了硫酸，水中还含有大量的铜、镉、砷等有毒元素。

图1. 美国蒙大拿州铜矿坑Berkeley Pit。图片来源于网络

药物学家Andrea Stierle和Donald Stierle夫妇随后来到这里，收集矿坑毒液和雪雁尸体，从中分离真菌及其它微生物进行研究（图2）。他们想从这里面淘到有价值的微生物次级代谢产物。

图2. Stierle培养的微生物。图片来源：C&EN ^[1]

Stierle夫妇一直致力于研究特殊生境微生物的天然产物，他们坚信，微生物在一些极端的环境下会做出反应，产生新颖有趣的分子 ^[1]。比如红豆杉所产的紫杉醇，在其内生菌中也有发现。黄石公园里沸腾的泉眼，深海里的火山口，甚至高纬度、高海拔地区的冻土，都是微生物新颖代谢产物的宝库。

但是他们为什么要选择Berkeley Pit呢？原因主要有二。

第一，这个矿坑里的毒水绝对够得上极端环境。微生物要在这里面生存，为了保护自己必有一些特殊的代谢响应，这些响应分子可能成为对抗人类疾病（也是一种非稳态的极端环境）的药物。

第二，没钱。科研经费申请不易，上面提到很多极端环境，想要进入其中采样并长期研究，需要大量经费支持。Stierle夫妇当时任职于蒙大拿科技大学（Montana Tech），所在地就在巴特，Berkeley Pit就相当于在他们“自家后院”（图3），取材方便，经济实惠，自然是采集特殊生境样品的首选地点。

图3. 卫星视角下的Berkeley Pit和巴特小镇。图片来源于网络

Stierle夫妇把样品带回了实验室进行一系列培养和分离，很快他们就有了收获——分离到几株真菌，其中包括从雪雁尸体上分离到一株酵母菌。然而，绝大多数微生物学家认为酵母菌不可能在pH值2.5的条件下生长，他们说“你不可能分离到酵母菌”。“好吧，那这是啥？”事实却证明他们在这种酸性极端环境下分离的微生物的确是酵母菌。

Stierle夫妇筛选了分离到的一株真菌——Penicillium rubrum的一个变种——进行研究，希望能从这类真菌中筛选到能够抑制基质金属蛋白酶3（MMP-3）和caspase-1的化合物，MMP-3能够帮助癌细胞转移，而caspase-1能够促发炎症。他们通过培养、提取、纯化、鉴定，从这株真菌中分离到两个新结构化合物，分别命名为berkeleydione 和 berkeleytrione，并于2004年发表在Organic Letters 上（Org. Lett., 2004, 6, 1049）。活性测试显示，berkeleydione对非小细胞肺癌有抑制活性。然而，由于研究经费“断炊”，进一步的药理实验搁置了（看来抗癌机理研究竞争激烈，耗资巨大，经费难申请，国内外都一样啊）。两年后，他们又分离到一个结构新颖的螺缩酮类化合物，命名为berkelic acid，活性测试显示能抑制卵巢癌细胞（J. Org. Chem., 2006, 71, 5357）。接下来的几年里，他们的运气越来越好：发现了3个梅罗萜，命名为berkeleyacetals（J. Nat. Prod., 2007, 70, 1820）；4个新酰胺，命名为berkeleyamides（J. Nat. Prod., 2008, 71, 856）。最后，他们整合了一下以往的旧数据，看看是否遗漏掉了什么，又发现了3个梅罗萜，即berkeleyone同系物（J. Nat. Prod., 2011, 74, 2273）。至今，科学家们还在测试这些化合物的抗病活性。

图4. Stierle夫妇分离到的部分化合物。图片来源：C&EN ^[1]

相对于抗癌、抗炎症研究需要体外和体内数据，机理作用的复杂性难以评估，抗生素活性研究更快速，容易一些。因此，Stierle夫妇将化合物活性测试实验从抗癌、抗炎症转移到了抗生素领域。

Andrea Stierle在分离样品中的真菌时遇到了麻烦，她很难在培养基中纯化出单株真菌，这些真菌总是交叉污染。在几个月的痛苦分离工作后，她好不容易得到纯化的真菌，却不产任何新化合物。于是，在科学好奇心和冒险精神驱使下，她干脆混合培养这些真菌，让它们相互竞争，期待这种竞争性环境能够刺激它们产生抗生素。

果然，这样的研究带来了意想不到的惊喜。在混合培养菌株中，Donald Stierle分离得到8个新颖的16元大环内酯（J. Nat. Prod., 2017, 80, 1150），他们命名其中的第一个结构为berkeleylactone A（图5）。这个化合物对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MASA）有极强的抑制性，而且其作用方式与以往的抗生素完全不同。

图5. 化合物berkeleylactone A的结构。图片来源：C&EN ^[1]

Stierle夫妇这个毒矿坑中前前后后分离到数十种结构新颖、活性良好的天然产物。其成功秘笈是什么？他们归因于艰苦的研究工作外加一点运气。Andrea Stierle笑称自己不是一个微生物学家也许是一种优势。不按常理出牌，不畏惧失败，敢于冒险，不拘泥于研究套路。幸运女神终会眷顾于他们。

Andrea Stierle和Donald Stierle夫妇。图片来源：University of Montan