JACS|實(shí)現(xiàn)植物螺環(huán)氧化吲哚生物堿的集群式生物合成
螺環(huán)氧化吲哚生物堿是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生物活性多樣的天然產(chǎn)物,具有顯著的抗癌、抗高血壓、抗炎等藥理活性。然而,這類化合物在天然植物中含量極低,傳統(tǒng)化學(xué)合成方法效率低下、成本高昂,難以滿足藥物開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)的需求。如何高效、可持續(xù)地生產(chǎn)這些天然產(chǎn)物,一直是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院江寅迪研究員團(tuán)隊(duì)和周佳??妥芯繂T團(tuán)隊(duì)古陽(yáng)副研究員合作,在國(guó)際期刊Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了題為"Collective Biosynthesis of Plant Spirooxindole Alkaloids through Enzyme Discovery and Engineering"的最新研究成果。他們通過酶挖掘和蛋白工程相結(jié)合的策略,成功破解了植物螺環(huán)氧化吲哚生物堿的完整生物合成途徑,并實(shí)現(xiàn)了12種四環(huán)和五環(huán)螺環(huán)氧化吲哚生物堿的集群式生物合成。
螺環(huán)氧化吲哚生物堿廣泛存在于夾竹桃科、鉤吻科和茜草科等植物中,具有獨(dú)特的螺環(huán)結(jié)構(gòu)和多樣的生物活性。合成化學(xué)家們已成功開發(fā)出多種立體專一性合成策略來制備單個(gè)螺環(huán)氧化吲哚骨架,并建立了針對(duì)共同中間體的集群式全合成策略,能夠同時(shí)獲得多種結(jié)構(gòu)相關(guān)螺環(huán)氧化吲哚生物堿。集群式全合成策略借鑒了生物合成的概念,然后利用生物合成酶來生產(chǎn)多種結(jié)構(gòu)相關(guān)天然產(chǎn)物,也就是集群式生物合成,卻面臨兩個(gè)核心挑戰(zhàn):首先,螺環(huán)氧化吲哚生物堿的生物合成途徑仍然沒有完全闡明;其次,生物合成酶往往表現(xiàn)出狹窄的底物范圍,缺乏化學(xué)試劑那樣的廣泛適用性,嚴(yán)重限制它們?cè)谔烊划a(chǎn)物集群式生物合成中的應(yīng)用。
01?螺環(huán)氧化吲哚生物堿生物合成酶的發(fā)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)螺環(huán)氧化吲哚生物堿的集群式生物合成,研究團(tuán)隊(duì)首先從藥用植物蘿芙木(Rauvolfia verticillata)中成功鑒定了兩個(gè)關(guān)鍵酶:黃素依賴性氧化酶RvDTS1和中鏈脫氫酶RvDTR。這兩個(gè)酶能夠協(xié)同工作,將3S-四氫鴨腳木堿(5)通過連續(xù)的氧化和還原反應(yīng),立體專一性地異構(gòu)化為3R-阿枯米精(6)。隨后,前期發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞色素P450酶MsCYP72056對(duì)3R構(gòu)型的前體化合物進(jìn)行氧化重排,最終形成四個(gè)五環(huán)螺環(huán)氧化吲哚天然產(chǎn)物Uncarines C, D, E, 和F。
02?酶工程擴(kuò)展底物范圍實(shí)現(xiàn)集群式生物合成
野生型RvDTR酶的底物特異性較強(qiáng),限制了其在集群式生物合成中的應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的蛋白工程技術(shù)擴(kuò)展了RvDTR的底物識(shí)別范圍。他們構(gòu)建了RvDTR與底物復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)模型,并通過定點(diǎn)突變策略成功改造了酶的活性位點(diǎn)。其中,T123G突變破壞了野生型酶中的氫鍵網(wǎng)絡(luò),增加了門控環(huán)的柔性,從而將RvDTR從底物特異性酶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕V泛底物范圍的催化劑。利用工程改造后的酶系統(tǒng),研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了12種四環(huán)和五環(huán)螺吲哚天然產(chǎn)物的集群式生物合成,包括帽柱木菲堿(24)、異帽柱木菲堿(25)、鉤藤堿(30)和異鉤藤堿(31)等重要生物堿。這種集群式生物合成策略相比傳統(tǒng)的單一產(chǎn)物生物合成方法具有顯著優(yōu)勢(shì),能夠從共同的中間體高效生產(chǎn)多種結(jié)構(gòu)相關(guān)的天然產(chǎn)物。
該研究不僅闡明了植物螺環(huán)氧化吲哚生物堿的生物合成途徑,更重要的是建立了一個(gè)通用的集群式生物合成平臺(tái)。這種將酶挖掘與蛋白工程相結(jié)合的策略為其他復(fù)雜天然產(chǎn)物家族的可持續(xù)生產(chǎn)提供了重要參考。研究成果在煙草和酵母兩個(gè)異源宿主系統(tǒng)中都得到了驗(yàn)證,展現(xiàn)了良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院江寅迪研究員和周佳??妥芯繂T團(tuán)隊(duì)古陽(yáng)副研究員為論文通訊作者,江寅迪團(tuán)隊(duì)助理研究員儲(chǔ)丹妮為文章第一作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科技重大專項(xiàng)以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

文章上線截圖

圖1. 通過酶挖掘和蛋白工程,實(shí)現(xiàn)了螺環(huán)氧化吲哚生物堿的集群式生物合成

圖2. 螺環(huán)氧化吲哚生物堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)合成以及生物合成

圖3. 螺環(huán)氧化吲哚生物堿生物合成酶的挖掘

圖4. RvDTR的蛋白工程改造擴(kuò)展底物范圍,實(shí)現(xiàn)螺環(huán)氧化吲哚天然產(chǎn)物的集群式生物合成
附件下載: