Exploring and expanding the natural chemical space of bacterial diterpenes
- 作者
- Xiuting Wei, Wenbo Ning, Caitlin A. McCadden, Tyler A. Alsup, Zining Li, Diana P. Łomowska-Kechener, Jordan Nafie, Tracy Qu, Melvin Osei Opoku, Glen R. Gillia, Baofu Xu, Daniel G. Icenhour, Jeffrey D. Rudolf
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-57145-6
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
细菌萜类化合物（尤其二萜）相对稀少，而细菌基因组中含有大量功能未知的萜烯合酶；本研究旨在系统挖掘并扩展细菌二萜的天然化学空间，发现新骨架和新的酶学功能。
研究策略
大规模基因组挖掘，选择334个来自8个门、17个纲、83个属的假定细菌萜烯合酶，利用能过量生产GGPP的工程化大肠杆菌进行异源表达筛选；对阳性克隆进行大规模发酵、分离纯化二萜产物，并通过NMR、GC-MS、VCD等确定结构；再用体外酶活实验验证关键酶的催化功能。
核心内容
该研究通过大规模基因组挖掘与工程化大肠杆菌异源表达筛选，系统扩展了细菌二萜的天然化学空间。作者从8个门、17个纲、83个属的细菌中选取334个假定萜烯合酶进行功能筛选，其中125个（37%）表现出二萜合酶活性，并从31个合酶中分离鉴定了28个二萜化合物。研究首次报道了三个全新的二萜骨架——tetraisoquinene、salbirenol和chitino-2,5(6),9(10)-triene，同时将peysonnosene、variediene等同属已知骨架首次在细菌中发现。关键突破包括：首次从粘细菌Melittangium boletus和蓝细菌Scytonema hofmannii中鉴定出I型二萜合酶TiqS和ShDS；发现一个天然的双功能I/II型萜烯合酶ChjDCS（785 aa），可催化GGPP生成(-)-sandaracopimaradiene；并体外验证了6个合酶的催化产物与体内一致。这项工作使已知细菌二萜合酶数量近乎翻倍，表明细菌二萜化学空间远大于此前认知，为萜类生物合成机制和生态功能研究提供了重要模型。
创新点
首次报道了3个全新的二萜骨架（tetraisoquinene、salbirenol、chitino-2,5(6),9(10)-triene）；首次从粘细菌和蓝细菌中鉴定I型二萜合酶；发现细菌中天然存在的双功能I/II型萜烯合酶；将许多已知在其他生物中的二萜首次在细菌中发现，并鉴定了多个新的结构或立体异构体。
研究对象（30）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Melittangium boletus | 二萜生物合成 (GGPP环化) | tiqS | TiqS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生tetraisoquinene (1)；来自粘细菌，首次报道其I型二萜合酶 |
| Streptomyces albitreticuli | 二萜生物合成 (GGPP环化) | salS | SalS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生salbirenol (2) |
| Chitinophaga japonensis | 二萜生物合成 (GGPP环化) | chtS | ChtS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生chitino-2,5(6),9(10)-triene (3) |
| Anaerolineaceae sp. | 二萜生物合成 (GGPP环化) | peyS | PeyS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生peysonnosene (4)；其骨架与海洋红藻peyssonnosides相同 |
| Nocardia vulneris | 二萜生物合成 (GGPP环化) | cvds | Cvds | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生clavularia-1(15),17-diene (5) |
| Prauserella shujinwangii | 二萜生物合成 (GGPP环化) | psVS | PsVS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生variediene (6)；与OdVS仅20%序列一致性 |
| Olivibacter domesticus | 二萜生物合成 (GGPP环化) | odVS | OdVS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生variediene (6)；细菌中首次报道variediene合酶 |
| Chitinophaga niabensis | 二萜生物合成 (GGPP环化) | cnVrtS | CnVrtS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生1S-verticillia-3,7,11(12)-triene (7) |
| Streptomyces sp. TL1,235 | 二萜生物合成 (GGPP环化) | sVrtS | SVrtS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生1S-verticillia-3,8(19),11(12)-triene (8) |
| Chitinophaga japonensis | 二萜生物合成 (GGPP环化) | chjDCS | ChjDCS | 催化 | 785 aa双功能I/II型萜烯合酶；在E. coli中异源表达产生(-)-sandaracopimaradiene (9)；首次报道细菌天然双功能萜烯合酶 |
| Streptomyces sp. | 二萜生物合成 (GGPP环化) | saVenA | SaVenA | 催化 | 在E. coli中异源表达，主要产生venezuelane A (10)，也产生dolabella-3,7,18-triene (13) |
| Streptomyces sp. | 二萜生物合成 (GGPP环化) | ssVenA | SsVenA | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生venezuelane A2 (11) |
| Streptomyces alkaliterrae | 二萜生物合成 (GGPP环化) | salKS | SalKS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生oxydverdiene B2 (12) |
| Chitinophaga barbathi | 二萜生物合成 (GGPP环化) | cbDS | CbDS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生13的差向异构体 (14) |
| Scytonema hofmannii | 二萜生物合成 (GGPP环化) | shDS | ShDS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生1R,7E,10E,12R-dolabella-4(16),7,10-triene (15)；来自蓝细菌，首次报道其I型二萜合酶 |
| Kiddelosporangium phytohabitans | 二萜生物合成 (GGPP环化) | kpCdS | KpCdS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生5/8/5三环二萜16（与17为差向异构体） |
| Streptomyces lactocystinaeus | 二萜生物合成 (GGPP环化) | sIt18_1078 (sfcdS) | SfcdS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生cyclooctat-7(8),10(14)-diene (17) |
| Saccharopolyspora terrae | 二萜生物合成 (GGPP环化) | stMpcS | StMpcS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生(+)-monoprenyl-β-curcumene (18) |
| Nocardia sp. SYP-A9097 | 二萜生物合成 (GGPP环化) | nBnd4 | NBnd4 | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生benditerpetriene (19) |
| Mycobacterium abscessus | 二萜生物合成 (GGPP环化) | maBnd4 | MaBnd4 | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生benditerpetriene (19)；来自人类病原菌 |
| Streptomyces sp. TLI_053 | 二萜生物合成 (GGPP环化) | sPhpS | SPhpS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生prehydropyrene (20)；首次报道prehydropyrene合酶 |
| Chryseobacterium populi | 二萜生物合成 (GGPP环化) | cpPhpS | CpPhpS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生prehydropyrene (20) |
| Micromonospora sp. | 二萜生物合成 (GGPP环化) | mpMcS | MpMcS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生micromonocyclol (21)和cembrene A (22) |
| Micromonospora sp. | 二萜生物合成 (GGPP环化) | mbMcS | MbMcS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生micromonocyclol (21)和cembrene A (22) |
| Streptomyces sp. CB01580 | 二萜生物合成 (GGPP环化) | sMcS | SMcS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生micromonocyclol (21)；与McS仅28%序列一致性 |
| Micromonospora sp. LiamO | 二萜生物合成 (GGPP环化) | mlCAS | MlCAS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生cembrene A (22) |
| Belliella peluolocani | 二萜生物合成 (GGPP环化) | bpCAS | BpCAS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生cembrene A (22)和(+)-nephthenol (23) |
| Nocardia yunnanensis | 二萜生物合成 (GGPP环化) | nyICS | NyICS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生isocembrene C (24) |
| 未明确（与Streptomyces violens相关） | 二萜生物合成 (GGPP环化) | s130SvS | S130SvS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生spiroviolene (25)；与SvS有50%序列一致性 |
| Streptomyces sp. | 二萜生物合成 (GGPP环化) | spS | SpS | 催化 | 在E. coli中异源表达，产生spata-13,17-diene (26)和cneorubin Y (27) |
关键发现
- 从8个门、17个纲、83个属的细菌中筛选了334个萜烯合酶，其中125个（37%）具有二萜合酶活性
- 从31个萜烯合酶中分离鉴定了28个二萜化合物，包括3个前所未有的骨架（tetraisoquinene、salbirenol、chitino-2,5(6),9(10)-triene）、多个首次在细菌中发现的已知骨架（如peysonnosene、variediene、verticillene、sandaracopimaradiene）以及新的结构/立体异构体
- 首次报道了来自粘细菌Melittangium boletus的TiqS和蓝细菌Scytonema hofmannii的ShDS为I型二萜合酶
- 发现了一个天然的细菌双功能I/II型萜烯合酶ChjDCS（785 aa），催化GGPP生成(-)-sandaracopimaradiene
- 体外验证了6个二萜合酶（TiqS、SalS、PeyS、OdVS、SalKS、SPhpS）在体外与体内产物一致
- 这些发现使已知的细菌二萜合酶数量几乎翻倍。
研究结论
细菌二萜的天然化学空间远比此前认为的更大；基因组挖掘和大规模功能筛选是发现新天然产物、解析萜类生物合成与酶学机制的有效途径；同时为探究萜烯的生态功能提供了模型系统。