近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所研究員張長生團(tuán)隊在海洋鏈霉菌來源吲哚生物堿類和多環(huán)內(nèi)酰胺類活性次級代謝產(chǎn)物的生物合成機(jī)制解析方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果分別發(fā)表于《有機(jī)化學(xué)通訊》（Organic Letter）和《中國化學(xué)》（Chinese Journal of Chemistry），并均被選為封面文章。
海洋微生物在適應(yīng)高鹽、高壓、黑暗、低溫（或局部高溫)、寡營養(yǎng)等嚴(yán)酷的生存環(huán)境壓力下，進(jìn)化出了與之相適應(yīng)的生理生化特征或特殊的代謝途徑，因此可產(chǎn)生化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或生物活性獨(dú)特的次級代謝產(chǎn)物，對這些產(chǎn)物的生物合成機(jī)制進(jìn)行深入研究可為其結(jié)構(gòu)改造和綠色生物制造提供重要理論依據(jù)。
色氨酸二聚體生物合成途徑中游離甲基轉(zhuǎn)移酶SpmM1的功能研究。研究團(tuán)隊供圖，下同
細(xì)菌來源色氨酸二聚體是一類具有顯著生物活性的天然產(chǎn)物，其中midostaurin已被FDA批準(zhǔn)用于治療白血病。研究團(tuán)隊前期從深海來源鏈霉菌Streptomyces marincola SCSIO 03032中發(fā)現(xiàn)了3類具有細(xì)胞毒活性的色氨酸二聚體，克隆鑒定了參與色氨酸二聚體的生物合成基因簇（spm），證實(shí)spm為非典型基因簇，即在基因簇外存在游離的生物合成基因。
研究團(tuán)隊在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，成功從菌株SCSIO 03032基因組中鑒定了一個游離在spm基因簇外的甲基轉(zhuǎn)移酶SpmM1，從其突變株中分離獲得了5個新穎的色氨酸二聚體IDMs，通過生化表征確定SpmM1負(fù)責(zé)催化LNMs中吡咯環(huán)側(cè)鏈羧基的氧甲基化，進(jìn)一步結(jié)合喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)SpmM1通過甲基化反應(yīng)控制SPMs和IDMs生物合成途徑的分化，且羧甲基為SPMs形成的特異識別位點(diǎn)。以上結(jié)果為鑒定其它游離在基因簇外的后修飾酶提供了研究思路。
多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物具有復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和良好的生物活性，是藥物先導(dǎo)化合物和生物農(nóng)藥的重要資源。多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物的化學(xué)合成步驟多、收率低，但生物合成卻非常簡潔和保守，可通過途徑改造實(shí)現(xiàn)不同類型多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物的綠色定制生產(chǎn)。遺憾的是，目前仍缺少高效、干凈的底盤宿主應(yīng)用于多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物基因簇的異源表達(dá)，且尚不清楚數(shù)量最多的5/5型和5/5/6型多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中C14位氧化修飾差異的生物合成機(jī)制。
PoTeMs異源表達(dá)底盤細(xì)胞306A構(gòu)建及C14位迭代氧化機(jī)制解析。
研究團(tuán)隊通過大片段敲除改造海洋鏈霉菌Streptomyces sp. ZJ306，構(gòu)建了專屬生產(chǎn)多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物多烯前體的干凈底盤細(xì)胞306A，為實(shí)現(xiàn)多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物生物合成基因“即插即用”和藥源多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣化奠定了基礎(chǔ)。
團(tuán)隊進(jìn)一步通過在底盤細(xì)胞306A中的組合生物合成比較研究表征了南海來源放線菌Streptomyces falvogriseus SCSIO 40032中沉默多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物基因簇fla的生物合成途徑，通過喂養(yǎng)和同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí)黃素環(huán)化酶FlaB1在催化C6-C13環(huán)化的同時引入羥化和環(huán)氧化修飾，體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定P450酶FlaD及其同源酶FtdF、SSHG-05717負(fù)責(zé)將5/5/6型多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物中的C14位羥基轉(zhuǎn)化為酮基，同時催化后續(xù)的C12位羥化。該研究成功揭示了5/5型和5/5/6型多環(huán)內(nèi)酰胺類天然產(chǎn)物中C14位迭代氧化修飾的生物合成邏輯。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.orglett.5c01012
https://doi.org/10.1002/cjoc.202400982
本文鏈接：海洋鏈霉菌吲哚生物堿和多環(huán)內(nèi)酰胺生物合成機(jī)制獲揭示http://m.sq15.cn/show-11-22156-0.html
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