The molecular complexity of terpene biosynthesis in red algae: current state and future perspectives
- 作者
- Wanessa Francesconi Stida Peixoto, Renato Crespo Pereira, Esthany dos Santos Souza Azevedo, Fernando Martins dos Santos Junior, Ricardo Coutinho, Louisi Souza de Oliveira
- 单位
- Admiral Paulo Moreira Marine Studies Institute (IEAMP), Brazilian Navy; Federal Fluminense University (UFF)
- 杂志
- Natural Product Reports（2024）
- DOI
- 10.1039/d4np00034j
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
红藻萜类生物合成途径的分子机制未被充分阐明，化合物产量低、结构复杂，导致其生物技术潜力难以实现可持续工业化开发。
研究策略
系统综述红藻萜类生物合成的四个步骤（异戊二烯前体合成、线性缩合、萜烯合酶催化、骨架后修饰），结合进化分析和酶学混杂性研究，识别知识空白并提出异源生物合成优化方向。
核心内容
该文系统梳理了红藻萜类生物合成的分子机制，将整个合成过程划分为异戊二烯前体生成、线性缩合、萜烯合酶催化及骨架后修饰四个层级，并结合进化分析与酶学混杂性证据，识别各环节的知识空白。研究表明，红藻中MEP途径以约5:1的化学计量比产生IPP与DMAPP，而MVA途径在多数红藻谱系中缺失；红藻仅含有MTPSL型萜烯合酶，缺乏class II或双功能酶。部分MTPSL酶表现出显著的底物与产物混杂性，例如EaMTPSL1可分别利用GPP和(E,E)-FPP生成芳樟醇与橙花叔醇，PpMTPSL和EaMTPSL2均可从单一底物产生至少8种倍半萜，个别酶甚至能生成多达18种产物，反映出复杂的化学多样性来源。该文提出，当前限制红藻萜类工业化开发的主要瓶颈在于基因组数据不足及酶结构与功能关系不清，未来应通过多组学扩展、蛋白工程改造及异源宿主优化，推动红藻萜类的高效异源合成。
创新点
首次以四个复杂度层级系统解析红藻萜类生物合成过程；整合了红藻中MTPSL酶底物与催化混杂性的最新证据；提出通过多组学、蛋白工程和异源宿主优化红藻萜类生产的研究框架。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Erythrolobus australicus | 萜类生物合成 | EaMTPSL1 | EaMTPSL1（萜烯合酶） | 催化 | 底物混杂性：可利用GPP和(E,E)-FPP分别产生芳樟醇和橙花叔醇 |
| Erythrolobus australicus | 萜类生物合成 | EaMTPSL2 | EaMTPSL2（萜烯合酶） | 催化 | 能以(E,E)-FPP为底物产生至少8种倍半萜（β-copaene、aristol-9-ene、α-ylangene等） |
| Porphyridium purpureum | 萜类生物合成 | PpMTPSL | PpMTPSL（萜烯合酶） | 催化 | 可接受(E,E)-FPP和GGPP，产生β-copaene、aristol-9-ene、germacrene A等8种倍半萜 |
| Bangia fuscopurpurea | 异戊烯基焦磷酸合成 | BFGGPPS | BFGGPPS（牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶） | 催化 | 只产生GGPP；在拟南芥原生质体中未检测到叶绿体定位，可能转运肽较短 |
| Porphyra umbilicalis | 类胡萝卜素生物合成 | PuGGPS | PuGGPS（GGPP合酶） | 催化 | 克隆并验证其参与类胡萝卜素生物合成 |
| Porphyra umbilicalis | 类胡萝卜素生物合成 | PuCHY1 | PuCHY1（CYP97B家族细胞色素P450） | 催化 | 第一个被功能鉴定的红藻P450型胡萝卜素羟化酶，参与类胡萝卜素代谢 |
| Laurencia spp. | 萜类卤化修饰 | 未指定 | 钒溴过氧化物酶（V-BPO） | 催化 | 催化nerolidol的环化和溴化，生成α-/β-/γ-synderol及(+)-3β-bromo-8-epicaparrapi oxide |
| Cyanidioschyzon merolae | 细胞色素P450代谢 | CMD096C, CMJ270C, CMJ284C, CMS319C, CMR093C | 推测的P450酶 | 催化 | 基因组中含5个推定P450编码基因，涉及CYP51与CYP710等 |
| 红藻（多个物种） | 异戊二烯前体合成 | DxS, DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶/还原异构酶 | 催化 | MEP途径中的潜在碳通量调控节点，过表达或抑制可影响萜类产量 |
关键发现
- 海洋天然产物超过30,000种，每年约1,000种新化合物被发现，且>70%为海洋独有
- 红藻物种>7,500种，约98%为宏观类型。萜类已知>80,000种，是最大类群。Laurencia属已报道至少700种独特化合物，其中>500种为倍半萜、约100种二萜、50种三萜、50种其他类型
- 红藻单萜已鉴定136种结构。Rhodomelaceae中约80%代谢物为卤代化合物。MEP途径以约5:1的化学计量比产生IPP:DMAPP
- 对15种红藻的系统发育分析表明MVA途径在大多数谱系中缺失。红藻仅含MTPSL型萜烯合酶，未发现class II或双功能酶。EaMTPSL1可利用GPP和(E,E)-FPP分别产生芳樟醇[13]和橙花叔醇[14]
- EaMTPSL2可从(E,E)-FPP产生至少8种倍半萜
- PpMTPSL可从(E,E)-FPP产生8种倍半萜
- 个别MTPSL酶可从单一底物产生多达18种产物。
研究结论
红藻萜类生物合成涉及前体合成、多异戊烯基焦磷酸缩合、萜烯合酶催化和骨架修饰四个层次，各层均贡献化学多样性。当前主要瓶颈是基因组信息不足、酶结构与功能关系不清。未来应扩展红藻基因组/转录组数据、解析TPS晶体结构、利用计算预测与定向突变，并结合共表达分析，推动红藻萜类异源合成的发展。