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    我國學者發現天然產物生物合成中的酶催化[6+4]周環反應

    日期 2019-03-26   來源:化學科學部   作者:張艷 胡海宇 陳擁軍  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:21572100,21803030,81522042, 81773591,81530089,81673333,21861142005,21761142001和21661140001)等資助下,南京大學戈惠明、譚仁祥、梁勇等首次鑒定了微生物中催化[6+4]反應的酶家族。研究成果以“Enzyme-catalysed [6+4] Cycloadditions in the Biosynthesis of Natural Products”(天然產物生物合成中的酶催化[6+4]環加成)為題,于2019年3月13日在Nature(《自然》)在線發表。論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1021-x。

      周環反應是一類在反應過程中形成環狀過渡態的協同反應,廣泛用于有機分子的骨架構建。 [6+4]環加成反應可見于有機合成,但生物體內是否存在[6+4]反應催化酶仍系待解之謎。譚仁祥-戈惠明課題組近年來聚焦于對蝦腸道菌產物研究,從Streptomyces seoulensis A01(漢城鏈霉菌)發酵液中發現了具有抗幽門螺旋桿菌活性的新穎大環內酯Streptoseomycin,其結構特征預示其生物合成途徑可能涉及周環反應(Chem. Rev.2017, 117, 5367–5388)。通過比較分析Streptoseomycin及其類似物Nargenicin的生物合成基因簇,推測同源蛋白StmD和NgnD可能分別催化著Streptoseomycin和Nargenicin的周環反應步驟(StmD和NgnD結構見圖1)。

      如圖2所示,通過分別敲除或回補StmD功能基因后的酶催化底物3反應驗證,表明僅在StmD存在時,此酶才可催化3進行[6+4]周環反應直接得到化合物68,同時可催化[4+2]反應得到不穩定化合物7,再經過Cope重排轉化為化合物6。為深刻理解[6+4]和[4+2]周環反應與[3,3]-Cope重排反應之間的關系,梁勇課題組通過密度泛函理論計算了反應的熱力學和動力學。計算結果表明底物3越過單一過渡態后可歧化成兩個方向,分別生成[6+4]和[4+2]反應產物,由于[6+4]產物在熱力學上更穩定,[4+2]產物傾向于經Cope重排自發轉化成[6+4]產物。此理論計算結果與實驗觀察結果相吻合,進一步佐證了上述實驗推斷。以上結果初步證明生物體內存在 [6+4]周環反應催化酶系。

      隨后,譚仁祥-戈惠明課題組設計了兩步串聯的酶反應在體外來驗證周環酶的催化功能,證明了StmD和NgnD都可以同時催化[4+2]和[6+4]反應;進而又以StmD為探針,從基因數據庫中挖掘鑒定出了另外三個可催化[6+4]反應的酶。此外,該課題組還獲得了StmD、NgnD和101015D三個蛋白的晶體來進一步研究該反應的催化機理(圖1),并通過分子對接、計算機模擬和點突變實驗,闡明了此類新型環加成酶的反應機制。

      綜上所述,該項進展涉及多學科領域交叉,包括集成基因敲除、體外酶催化、量子化學計算、分子動力學模擬、蛋白晶體等技術,率先在實驗和理論層面鑒定了[6+4]/[4+2]周環反應催化酶家族。拓展了人們對周環反應酶的認識,助推人造酶催化化工過程時代的到來。

    圖1 周環反應酶的結構和催化位點

    圖2 Streptoseomycin生物合成中的[6+4]和[4+2]反應




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