我校在微生物天然產(chǎn)物生物合成研究中取得新進展
核心提示： 近日，我校生命科學技術(shù)學院及農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室何璟教授課題組在化學頂級期刊Angew Chem Int Ed發(fā)表研究論文。該論文報道了鏈霉菌中一例具有底物寬泛性的腺苷化酶SfaB，該酶可催化多種短鏈脂肪酸同多種胺或硫醇進行酰胺化或硫酯化反應，為體外合成酰胺和硫酯提供了一種新型生物催化劑。
近日，我校生命科學技術(shù)學院及農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室何璟教授課題組在化學頂級期刊Angew Chem Int Ed發(fā)表題為“Repurposing the 3-Isocyanobutanoic Acid Adenylation Enzyme SfaB for Versatile Amidation and Thioesterification”的研究論文。該論文報道了鏈霉菌中一例具有底物寬泛性的腺苷化酶SfaB，該酶可催化多種短鏈脂肪酸與多種胺或硫醇進行酰胺化或硫酯化反應，為體外合成酰胺和硫酯提供了一種新型生物催化劑。
酰胺在臨床藥物和活性天然產(chǎn)物中廣泛存在。目前酰胺化合物主要通過化學合成，但生物催化形成酰胺鍵的反應條件更加溫和、立體選擇性高，沒有環(huán)境污染，是未來酰胺化合物合成和生產(chǎn)研究的重點方向。SF2768(1)是由硫藤黃鏈霉菌DSM 40027產(chǎn)生的雙異腈類銅離子螯合劑，其生物合成途徑已被解析（圖1A）。課題組從SF2768類似物2的體外生物合成體系中發(fā)現(xiàn)了副產(chǎn)物—酰胺化合物3和4（圖1B），且3和4僅由腺苷化酶SfaB催化形成（圖1C），表明SfaB具有酰胺合成酶功能。
圖1 鏈霉菌銅載體SF2768生物合成基因簇中腺苷化酶SfaB具有酰胺合成酶活性
前期研究發(fā)現(xiàn)腺苷化酶SfaB具有底物寬泛性，能夠接受不同的短鏈脂肪酸及其末端取代物。因此研究人員以15種短鏈脂肪酸和20種蛋白質(zhì)氨基酸為底物探索SfaB催化酰胺化反應的范圍（圖2A），并鑒定出更多的酰胺產(chǎn)物5–8（圖2B）。此外，還以17種胺和5種短鏈脂肪酸為底物進一步研究SfaB的催化多樣性（圖2C），結(jié)果發(fā)現(xiàn)SfaB具有高度底物寬泛性，不僅能夠接受多種短鏈脂肪酸，還能夠接受不同的胺。
圖2 SfaB催化短鏈脂肪酸與氨基酸及其他胺的酰胺化
前期研究發(fā)現(xiàn)SfaB還可以腺苷化短鏈脂肪酸并將其與holo-PCP進行硫酯化。推測硫醇基取代PCP后也可以在SfaB的作用下與?；鵄MP形成硫酯。因此研究人員用輔酶A代替胺進行酰胺化反應，發(fā)現(xiàn)多種短鏈脂肪酸能夠由SfaB催化轉(zhuǎn)變成相應的?；鵆oA（圖3），從而證實了這一推測。
圖3 SfaB催化短鏈脂肪酸和CoA的硫酯化
輔酶A（CoA）因價格昂貴不適合用于大量生產(chǎn)，因此研究人員又用N-乙酰半胱胺(SNAC)代替CoA與7個不同的短鏈脂肪酸進行硫酯化反應，發(fā)現(xiàn)所有的酸均能被SNAC硫酯化，并鑒定出產(chǎn)物13和16的結(jié)構(gòu)（圖4）。此外，為了減少反應中ATP的用量，使用多磷酸:AMP磷酸轉(zhuǎn)移酶和腺苷酸激酶系統(tǒng)循環(huán)利用ATP，使ATP的用量減少到原來的10%。
圖4 SfaB催化短鏈脂肪酸和SNAC的硫酯化
為進一步探究酰基AMP的酰胺化和硫酯化是酶催化還是非酶催化過程，研究人員對反應系統(tǒng)中SfaB的必需性進行了研究。由于?；鵄MP不穩(wěn)定，首先使用SfaB催化短鏈脂肪酸形成酰基AMP，然后過濾除去SfaB；濾過液再添加SfaB和親核試劑進行反應(圖5A)，發(fā)現(xiàn)SfaB存在時的反應速度遠大于無SfaB時的反應速度(圖5B)，表明酰胺化和硫酯化可由酶催化和自發(fā)親核進攻共同完成，且酶催化占主導地位。
圖5 SfaB催化的酰胺化和硫酯化是酶催化的過程
近年來該課題組對異腈類化合物的生物合成途徑進行了解析（10.1021/acschembio.7b00897），探究了基于異腈水合酶的自抗性機制（10.1021/acs.orglett.8b01341）及抑菌機理（10.1021/acs.jnatprod.0c00125），同時基于酶的底物寬泛性及體外重建反應體系構(gòu)建了這類小分子的化合物庫（10.1021/acschembio.8b00938）。本研究進一步對生物合成途徑中的腺苷化酶SfaB的底物寬泛性進行了研究，發(fā)現(xiàn)該酶的功能特異性，證實其具有作為生物催化劑合成各類酰胺和硫酯化合物的應用價值。我校生命科學技術(shù)學院2017級博士研究生朱夢奕為論文第一作者，何璟教授為論文通訊作者，中國科學院南海海洋研究所博士后王利娟參與了該研究。該研究得到國家自然科學基金等資助。何璟教授課題組主要從事鏈霉菌次級代謝產(chǎn)物生物合成、調(diào)控及抗性機制的研究，近年來在Angew Chem Int Ed，Nucleic Acid Research, Organic Letters, ACS chemical biology，Journal of Natural Products，Applied Microbiology and Biotechnology等期刊上發(fā)表論文多篇。
審核人：何璟
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202010042
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