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我校在微生物天然产物生物合成研究中取得新进展

来源: 责任编辑:涂立超 发布:2021-01-25 点击量:


核心提示近日,我校生命科学技术学院及农业微生物学国家重点实验室何璟教授课题组在化学顶级期刊Angew Chem Int Ed发表研究论文。该论文报道了链霉菌中一例具有底物宽泛性的腺苷化酶SfaB,该酶可催化多种短链脂肪酸同多种胺或硫醇进行酰胺化或硫酯化反应,为体外合成酰胺和硫酯提供了一种新型生物催化剂。

近日,我校生命科学技术学院及农业微生物学国家重点实验室何璟教授课题组在化学顶级期刊Angew Chem Int Ed发表题为“Repurposing the 3-Isocyanobutanoic Acid Adenylation Enzyme SfaB for Versatile Amidation and Thioesterification”的研究论文。该论文报道了链霉菌中一例具有底物宽泛性的腺苷化酶SfaB,该酶可催化多种短链脂肪酸与多种胺或硫醇进行酰胺化或硫酯化反应,为体外合成酰胺和硫酯提供了一种新型生物催化剂。

酰胺在临床药物和活性天然产物中广泛存在。目前酰胺化合物主要通过化学合成,但生物催化形成酰胺键的反应条件更加温和、立体选择性高,没有环境污染,是未来酰胺化合物合成和生产研究的重点方向。SF2768(1)是由硫藤黄链霉菌DSM 40027产生的双异腈类铜离子螯合剂,其生物合成途径已被解析(图1A)。课题组从SF2768类似物2的体外生物合成体系中发现了副产物—酰胺化合物3和4(图1B),且3和4仅由腺苷化酶SfaB催化形成(图1C),表明SfaB具有酰胺合成酶功能。



图1 链霉菌铜载体SF2768生物合成基因簇中腺苷化酶SfaB具有酰胺合成酶活性


前期研究发现腺苷化酶SfaB具有底物宽泛性,能够接受不同的短链脂肪酸及其末端取代物。因此研究人员以15种短链脂肪酸和20种蛋白质氨基酸为底物探索SfaB催化酰胺化反应的范围(图2A),并鉴定出更多的酰胺产物5–8(图2B)。此外,还以17种胺和5种短链脂肪酸为底物进一步研究SfaB的催化多样性(图2C),结果发现SfaB具有高度底物宽泛性,不仅能够接受多种短链脂肪酸,还能够接受不同的胺。

图2 SfaB催化短链脂肪酸与氨基酸及其他胺的酰胺化


前期研究发现SfaB还可以腺苷化短链脂肪酸并将其与holo-PCP进行硫酯化。推测硫醇基取代PCP后也可以在SfaB的作用下与酰基AMP形成硫酯。因此研究人员用辅酶A代替胺进行酰胺化反应,发现多种短链脂肪酸能够由SfaB催化转变成相应的酰基CoA(图3),从而证实了这一推测。

图3 SfaB催化短链脂肪酸和CoA的硫酯化

辅酶A(CoA)因价格昂贵不适合用于大量生产,因此研究人员又用N-乙酰半胱胺(SNAC)代替CoA与7个不同的短链脂肪酸进行硫酯化反应,发现所有的酸均能被SNAC硫酯化,并鉴定出产物13和16的结构(图4)。此外,为了减少反应中ATP的用量,使用多磷酸:AMP磷酸转移酶和腺苷酸激酶系统循环利用ATP,使ATP的用量减少到原来的10%。

图4 SfaB催化短链脂肪酸和SNAC的硫酯化


为进一步探究酰基AMP的酰胺化和硫酯化是酶催化还是非酶催化过程,研究人员对反应系统中SfaB的必需性进行了研究。由于酰基AMP不稳定,首先使用SfaB催化短链脂肪酸形成酰基AMP,然后过滤除去SfaB;滤过液再添加SfaB和亲核试剂进行反应(图5A),发现SfaB存在时的反应速度远大于无SfaB时的反应速度(图5B),表明酰胺化和硫酯化可由酶催化和自发亲核进攻共同完成,且酶催化占主导地位。

图5 SfaB催化的酰胺化和硫酯化是酶催化的过程

近年来该课题组对异腈类化合物的生物合成途径进行了解析(10.1021/acschembio.7b00897),探究了基于异腈水合酶的自抗性机制(10.1021/acs.orglett.8b01341)及抑菌机理(10.1021/acs.jnatprod.0c00125),同时基于酶的底物宽泛性及体外重建反应体系构建了这类小分子的化合物库(10.1021/acschembio.8b00938)。本研究进一步对生物合成途径中的腺苷化酶SfaB的底物宽泛性进行了研究,发现该酶的功能特异性,证实其具有作为生物催化剂合成各类酰胺和硫酯化合物的应用价值。我校生命科学技术学院2017级博士研究生朱梦奕为论文第一作者,何璟教授为论文通讯作者,中国科学院南海海洋研究所博士后王利娟参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金等资助。何璟教授课题组主要从事链霉菌次级代谢产物生物合成、调控及抗性机制的研究,近年来在Angew Chem Int Ed,Nucleic Acid Research, Organic Letters, ACS chemical biology,Journal of Natural Products,Applied Microbiology and Biotechnology等期刊上发表论文多篇。


审核人:何璟

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202010042



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