Biocatalytic stereocontrolled head-to-tail cyclizations of unbiased terpenes as a tool in chemoenzymatic synthesis
- 作者
- Andreas Schneider, Thomas B. Lystbæk, Daniel Markthaler, Niels Hansen, Bernhard Hauer
- 杂志
- Nature Communications（2024）
- DOI
- 10.1038/s41467-024-48993-9
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
传统萜类化合物合成依赖有限的手性池前体，化学催化剂难以实现无偏线性萜烯的立体选择性头尾环化。本文旨在利用角鲨烯-环氧化物环化酶（SHC）的生物催化能力，实现无偏萜烯的立体控制环化，为萜烯合成提供通用的手性骨架。
研究策略
通过机制导向的SHC酶工程改造，结合冻干全细胞和环糊精封装等技术，实现多种线性萜烯底物的高选择性环化；并进一步通过化学酶法（如碘/脂肪酶协同催化）对手性模板进行衍生化，合成目标萜烯。
核心内容
本研究利用角鲨烯环氧化物环化酶（SHC）的生物催化能力，通过机制导向的酶工程改造，围绕碳正离子中间体附近引入突变，实现了十种无偏线性萜烯底物的高立体选择性头尾环化，合成相应手性萜烯骨架，对映选择性与非对映选择性均超过99%。研究中采用冻干全细胞和环糊精封装底物策略，显著提升了膜结合酶的催化性能。关键变体如G600R对E-香叶醇乙酸酯的环水合选择性达95%，活性较野生型提高7倍；F601D/F605L对E,E-法尼基丙酮的转化率提高10倍，对非天然线性前体15的转化率达99%。在5L反应器放大实验中，模型反应连续运行84天获得22.4g产物，产率90%。进一步通过一锅碘/脂肪酶协同催化将环状烯醚转化为四氢放线菌内酯等目标产物，产率56-70%；最终化学酶法合成labdane、ent-isocopolo1等复杂萜烯，产率最高达92%。该策略最多缩短萜烯合成路线90%，操作简便且易于放大，为复杂萜烯的手性骨架构建提供了通用且实用的新途径。
创新点
1. 展示了SHC在无偏萜烯立体选择性头尾环化中的广泛适用性；2. 机制导向的酶工程策略（围绕碳正离子周围突变）控制环化方向；3. 环糊精封装底物改善膜结合酶催化性能；4. 一锅法碘/脂肪酶协同催化实现环状烯醚的降级反应，合成四氢放线菌内酯等；5. 提供可放大的实用反应体系，产率高达92%。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 萜烯环化 | — | AacSHC及其变体 | 催化 | 来源为Alicyclobacillus acidocaldarius的角鲨烯-环氧化物环化酶，催化线性萜烯的立体选择性头尾环化，如变体G600R、A306W、F605W等。 |
| Escherichia coli | 萜烯环化 | — | TelSHC及其变体 | 催化 | 来自Thermoplasma的角鲨烯-环氧化物环化酶，如变体C312S，用于催化(+)-β-蒎烯等底物。 |
| — | 环状烯醚降级反应 | — | CALB（南极假丝酵母脂肪酶B） | 催化 | 在碘/脂肪酶协同催化中，CALB从H2O2和乙酸乙酯生成过氧乙酸，用于Baeyer-Villiger氧化，实现环状烯醚的降级官能化。 |
关键发现
- 利用工程化SHC变体，实现了十种手性萜烯骨架的合成，其对映选择性与非对映选择性均>99%。其中，G600R变体对E-香叶醇乙酸酯（6）的环水合选择性达95%，活性较野生型提高7倍
- A306W对E,E-法尼醇（8）的转化率达89%，drimane二醇（9）选择性为94%
- F605W对E,E,E-香叶基香叶醇（10）的转化率提高5倍，ent-isocopolo1（11）选择性约90%
- G600N对10的labdane骨架（12）选择性达90%
- F601D/F605L对E,E-法尼基丙酮（13）的转化率较野生型提高10倍，对非天然线性前体15的转化率达99%、选择性98%。在5L反应器中，模型反应（E-香叶基丙酮17→环状18）运行84天，获得22.4g产物，产率90%。通过一锅碘/脂肪酶催化，将环状烯醚18、23、14转化为四氢放线菌内酯1、25及(+)-sclareolide 26，产率56-70%。Kabbe反应合成chromanone 3产率90%
- 碳酸酯2产率33%
- labdane 12产率78%，ent-isocopolo1 11产率90%
- α-吡喃酮类28和29产率分别为64%和28%。
研究结论
研究表明，SHC介导的立体控制头尾环化可作为一种强大的化学酶合成工具，大幅缩短萜烯合成路线（最多缩短90%），并可获得高达92%的产率，同时操作简便、易于放大，为复杂萜烯和（巯基）萜烯的合成提供了新策略。