中国天然产物发现的十年攀登

**章天然产物化学研究概况和发展态势 **节 天然产物化学研究的意义和发展趋势 一、科学意义 天然产物化学研究以天然产物的发现为核心，并在此基础上探索其生物来源、生物功能、潜在价值等。多学科交叉、多手段共用也使得天然产物研究的范围越来越广泛，与其他学科之间的联系越来越紧密，对科学发展的影响也越来越突出。天然产物化学研究促进化学、生物、医学、食品、农林等相关学科的发展，具有突出的科学价值。天然产物化学研究是药物（包括农药）发现、资源合理高效利用与保护、食品开发等的基础，具有重要的现实意义。天然产物的科学意义具体表现为：①天然产物研究促进化学学科的发展，特别是合成化学、化学生物学、化学测量和材料化学。例如，新颖结构天然产物的发现、天然产物功能和生物合成过程的阐释、天然产物在体内变化规律的认识、天然产物规模高效获取手段的建立等不断提出新问题和新挑战，进而为相关领域的发展提供动力。②作为生物代谢产物，天然产物是研究生命过程的切入点。研究天然产物的产生过程、生理功能和机制是了解生命现象的重要途径之一，包括生物自身（生命周期和状态）、生物与生物之间或者生物与环境之间的相互作用（关系）。因此，天然产物化学研究对生命科学的发展具有重要的推动作用。③对天然产物的生物合成、转运与代谢动态过程的了解为合成生物学和生物技术提供新原理、新技术和新方法。④发现具有新颖结构、功能独*的天然产物，通过化学生物学手段研究它们对生理过程的调控作用，是了解疾病发生、发展机制的重要途径，也可为发展新的治疗药物与手段提供物质基础和理论指导。⑤研究生物代谢产物组成、含量及其随时空变化的规律促进中医药、农林等相关学科的发展，对资源的挖掘、保护、有效合理利用及品种繁育和改良有重要指导作用。 在合成化学研究方面，天然产物的合成与转化是合成化学的重要研究内容之一。天然产物的发现与合成化学相互促进，天然产物的结构确证、功能研究及规模高效获取促进合成方法与合成策略的发展。天然产物结构复杂，因此天然产物合成时面临诸多挑战，如骨架结构的构建、选择性的实现、多样性的合成效率等。2009～2018年，研究人员从我国生物资源中发现了大量结构新颖和生物活性独*的天然产物。这些天然产物的发现及功能研究极大地促进了我国合成化学的发展。针对天然产物的合成、功能、低成本（高效）规模制备，我国科学家在合成方法、反应选择性与适应性、新颖骨架结构构建、合成策略等方面取得瞩目的成绩[1-6]。 在化学测量研究方面，天然产物的分离纯化与结构确证（包括平面结构、构型构象分析）是首要内容。就结构分析而言，尽管目前已经有非常多的技术供选择，但是天然产物的特点（如微量、结构复杂、含多个手性中心等）导致结构分析具有相当大的难度，且效率低下。因此针对天然产物的高效结构分析，我国科学家在新的分析方法及与分析相关材料方面开展了颇有成效的研究，如基于液相色谱-质谱法（LC-MS）的微量成分快速结构分析[7]和基于核磁共振残留偶极耦合（residual dipolar coupling，RDC）的结构鉴定[8-10]。另外，天然产物研究中涉及去重复化技术（dereplication）、混合物的分析及从混合物中快速发现目标化合物，促进了色谱、色谱-波谱联用技术的发展和应用[11-13]。 在化学生物学研究方面，天然产物具有结构丰富多样、生物活性广泛等特点，是化学生物学研究的良好工具。一方面，天然产物为生物代谢物，其产生、功能发挥、代谢和降解过程与生物存在状态（阶段）、与生物共存的物理化学和生物因子密切相关，所以天然产物与生物学问题有天然联系。另一方面，具有新颖结构和活性的天然产物发现极大地促进了探针构建、标记、成像、化学蛋白质组学等化学生物学方法的发展，以及天然产物作用靶点的确定[14-16]。天然产物的作用机制研究也加深了对人体生理病理的理解[17-19]。我国在天然产物化学领域具有的优势和特色必将带动相关化学生物学研究的发展。 天然产物化学促进生命科学、生物技术相关学科的发展。在天然产物研究中，广泛持续研究天然产物如何生成、为何生成，促进了生命科学与技术的发展。天然产物生物合成研究加深了对酶的结构和功能的理解，促进结构生物学的发展[20-22]。天然产物生源验证、骨架形成与后修饰、合成逻辑、基因挖掘[23， 24]及针对特定天然产物的从头合成（如维生素B12的从头合成）[25]研究不仅是实现天然产物生物合成异源表达、代谢途径优化等的途径，而且是合成生物学和生物技术发展的动力。通过蛋白质修饰手段实现天然产物多样性的获取，也将加深对表观遗传生物学效应的理解[26， 27]。在天然产物生成原因的探究中，研究者不仅探索了相应天然产物对其来源生物的影响，而且通过对这些天然产物的研究发现并阐明其共存生物之间的相互关系与相互作用，促进了生理学和化学生态学的发展[28-30]。 天然产物化学促进医药相关学科的发展。结构和功能新颖的天然产物是药物发现的源泉之一，也是天然产物化学发展的重要动力。研究者在探索这些有效物质的作用机制的过程中，发现并验证新的靶点或者明确靶点结构，为药物理性设计提供分子结构与新靶点[31]。另外，活性天然产物作用机制研究也可加深对生理病理的认识，为改善药物的药效、提高安全性和发展新的治疗手段奠定了物质基础[32-36]。此外，研究药材（特别是中药材）中毒效物质及其随加工和时空变化的规律，为中药材种植、加工、生产和质量控制提供依据[37， 38]。 二、社会需求 天然产物研究是创新药物发展的必然要求。具有自主知识产权的创新药物研究与开发的关键之一在于发现具有新结构与新作用机制的活性化合物。自20世纪90年代开始，研究者们通过从头设计和组合化学高通量合成化合物库，从中筛选先导化合物并进一步开发创新药物，这一模式一直沿用至今。但这一模式并不能像预期那样大幅提高药物研发的成功率，其根本原因在于从头设计的化合物骨架中可以引入不同基团，合成数目巨大的化合物样品，但药效、安全性、成药性等不十分理想。以天然产物为基础进行药物设计，尽管能合成的化合物数量相对有限，但其成功率比较高。因此，从天然产物出发进行创新药物研究开始重新受到国际制药界的重视。特色生物资源往往蕴藏着具有特殊结构和活性多样的天然产物，我国生物多样性丰富，由此带来的天然产物具有化学结构的独*性和多样性。从这些活性天然产物出发发现先导化合物并进行进一步的创新药物研究，是药物创新的重要途径之一。 天然产物研究是中药现代化的必要前提。中药是随着对其有效性、安全性、可控性的重视，随着标准化、规范化、规模化、国际化的要求而发展的。中药材的毒效物质基础是中药材生产与加工（如炮制）、中药生产与质控过程的指针。药材毒效物质的时空变化，如随季节和产地的变化（道地性）、随炮制和提取工艺的变化，是中药生产全过程不可回避的关键问题。近年来，在中药相关的天然产物研究中，对污染真菌代谢物的安全性研究也受到越来越多的重视。因此，天然产物研究特别是中药毒效物质及其变化规律、毒效物质功能及相互作用的研究是中药现代化的基础。 天然产物研究是食品科技研究的必然内容。随着社会的发展，人们对食品的安全性、功能性和风味等的要求更高。天然产物研究贯穿食品加工、营养和功能分析、食品新资源发掘、食品添加剂（如甜味剂、香料、色素等）开发全过程，包括天然产物成分、含量、变化、转化、功能等研究。食品的加工改变了食品的色、香、味与营养，其中天然小分子的作用非常突出。阐释天然小分子随加工的变化是食品研究的重要内容，这些变化是特定条件下的转化及相互反应。天然产物的准确、微量、实时、在线分析等成为食品研究与生产中的重要问题。在食品加工、生产、储藏过程中，添加剂、微生物和可能产生污染的真菌代谢产物及其相互作用与转化研究直接关系到食品的营养价值、安全性和风味。 天然产物研究是生物资源利用与保护的关键基础。生物资源利用涉及食品、化工、能源、材料、农业、环保等产业。生物资源利用与保护是诸多产业特别是医药产业发展中的重大课题。植物自身繁育难度大或者药用植物过度采挖造成的资源枯竭对资源保护提出了要求。因此，针对拟替代药材的近缘植物开展某种或某类天然产物的研究从而发现目标天然产物或者类似物，是植物保护的途径之一。生物资源的有效利用涉及资源保护、环境污染问题，更直接与经济社会效益相关联。例如，中药材的综合利用不但引起全社会的高度关注，而且得到国家的大力支持。在绝大多数情况下，生物资源的利用建立在系统阐明其化学物质的基础上，因而针对资源利用的天然产物研究不仅涉及小分子化合物，而且涉及聚合物如淀粉、纤维素、木质素等。对资源生物成分与结构及其随遗传和时空的变化、定向转化、性能（化学性质、物理或生物学功能）等研究是生物资源利用的基础。 三、学科发展趋势 随着天然产物化学本身及相关学科的发展与技术的进步，天然产物化学研究的内容、方法、目标等也在逐渐发生变化，主要体现在如下几个方面：①研究范围不断扩大，从陆生生物到海洋生物，从一般条件下的生物到极端环境中的生物[39]，从自然存在的生物到人工改造的生物[40， 41]；研究目标从小分子拓展至大分子，从自然存在的化合物扩展到人为设计的类天然产物[42]。②研究尺度从生物整体到局部乃至细胞器[43-45]，从单一种属到相互作用的多种属，如共生微生物[46， 47]。③研究方法体现出综合和学科交叉态势，如活性天然分子发现及靶标鉴定，需要多学科交叉才能完成[48-51]。④研究内容越来越广泛，研究结果也更趋系统，包括天然产物的生物合成途径、获取、结构表征、功能、机制与应用的研究等。⑤研究目的与其他学科的研究目的逐渐融合，天然产物化学的研究结果和方法已被多个学科直接应用与借鉴，推动了相关学科的发展，如有机化学、化学生物学、合成生物学、药物学、农林学、食品学、生态学等[52-54]。⑥随着研究的不断深入和新技术的出现，天然产物化学不仅重视天然产物分子的静态特征，而且越来越注重天然产物合成、转运与代谢的动态过程。 四、国内外研究概况 从研究论文发表与发明专利申报数量来看，2008～2017年国际天然产物研究呈现稳定增长的态势（图1-1）。美国仍然是天然产物研究*活跃的国家，中国次之。印度和日本等亚洲国家的天然产物研究也较活跃，均进入前五强（图1-2）。从学科分类来看，药理学、生物化学、药物化学、生物技术微生物学和有机化学是天然产物研究领域的主要基础学科。从药物研究角度来看，神经系统疾病、免疫性疾病、肿瘤、内分泌代谢疾病等是天然产物功能研究的热点疾病领域（图1-3）。