图片:在TU Dresden大学的光生物反应器中发酵蓝藻细菌
图片来源:Tobias Gulder教授
大自然是一个优秀的化学家，可以在生命代谢的过程中通过生物合成产生的大量性质各异的自然产物分子。这些天然产物对我们人类也至关重要。它们在我们的日常生活中以多种方式使用，特别是在医学和农业中作为活性物质。突出的例子是抗生素，如从霉菌中分离出的青霉素，从太平洋紫杉树中提取的抗癌药物紫杉醇，以及在菊花中发现的用于防治虫害的除虫菊素。
这些具有特殊生物活性的次生代谢物大多结构新颖，活性显著，一直以来作为发现重要先导化合物的源泉而颇受关注；深入了解大自然如何合成组装这些化合物，对基于此类化合物的药物的开发和生产至关重要。结构多样性合成也同时推动了药学以及生物等各学科的发展。
在此背景下，来自Tobias Gulder教授((TU Dresden大学)和Tanja Gulder教授(莱比锡大学)团队的研究人员共同研究了一种由蓝细菌Scytonemahofmanni自然合成、对光合生物具有剧毒作用的物质——蓝藻菌素的生物合成，他们首次阐明自然产物的生物合成，而且还发现了一种新的碳-碳键形成的酶转化。文章发表在《Nature Chemical Biology》上。
这项工作是通过结合来自生物信息学、合成生物学、酶学和生物化学分析的现代工具而实现的。研究的重点是蓝藻菌素的碳骨架中的核心部分是如何产生的。通过“直接通路克隆”(Direct pathway Cloning, DipaC)的方法克隆了该基因，并以大肠杆菌作为细胞工厂合成。DipaC是一种新的合成生物学方法，由Tobias Gulder实验室开发。Tobias Gulder解释说:“DipaC使我们能够快速有效地将整个天然产物的生物合成途径转入重组宿主系统。”在接下来的研究中，研究小组通过在大肠杆菌中表达所有关键酶，分离它们并研究每个酶的功能，分析了蓝藻细菌生物合成的基本步骤。在这个过程中，他们遇到了一种以前不为人知的酶，叫做呋喃内酯合成酶。它们能够遵循一种不同寻常的机制来催化碳-碳键的形成。在对这些呋喃内酯合成酶的进一步研究中，这些酶被证明是高效的体外生物催化剂，使它们在生物技术应用中极具吸引力。
“有了呋喃内酯合成酶，我们已经获得了一种酶的工具，它将使我们能够在未来开发更环保的方法来生产生物活性化合物，从而为更可持续的化学做出重大贡献。”莱比锡大学有机化学研究所的Tanja Gulder教授解释道。接下来，两个研究团队希望在其他生物中也专门寻找这些新型的生物催化剂，从而在这一天然产物类别中找到新的生物活性成员，并开发蓝藻菌的生物技术生产和结构多样化的方法。两位科学家共同认为“我们的工作为全面开发用于医学和农业的一类令人兴奋的天然产品铺平了道路。”
文章摘要
γ-丁内酯motif在许多天然信号分子和其他特殊代谢物中发现。一个突出的例子是强大的水生植物毒素蓝藻菌，它具有高度功能化的γ-丁内酯核心结构。 组装蓝藻菌素和结构相关的天然产物——呋喃内酯的酶机制此前仍然未能确定。作者阐明了呋喃内酯组装的生物合成过程。通过定向生物信息学筛选鉴定蓝藻生物合成基因簇，并在大肠杆菌中进行外源表达验证。重组关键酶在体内和体外的完整功能评估，单独地和协同地，为简化的C-C键形成级联提供了深入的机理见解，包括在看似不反应的氨基酸前体Cα位置安装兼容的反应性。研究工作扩展了γ-丁内酯形成的生物合成和生物催化工具箱，为呋喃内酯的生物合成提供了一个通用的范式，并为它们的靶向发现、生物合成工程和酶合成奠定了基础。