Combinatorial Biosynthesis of Natural Products
- 作者
- Wenjun Zhang, Yi Tang
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of California, Los Angeles, California 90095
- 杂志
- Journal of Medicinal Chemistry
- DOI
- 10.1021/jm701269v
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
组合生物合成中酶元件重组缺乏通用规则、底物特异性窄、缺乏通用异源表达宿主等技术瓶颈
研究策略
综述近年来在分子工具包扩展、蛋白质工程（模块交换、定向进化）、结构生物学指导的模块拆分、自动化克隆与通用接头技术、E. coli异源表达等方面的进展
核心内容
该综述聚焦组合生物合成领域，系统梳理了近年来在分子工具扩展、蛋白质工程及异源表达平台等方面的突破，以应对酶元件重组缺乏通用规则、底物特异性窄等瓶颈。作者归纳了模块交换、定向进化及结构生物学指导的模块拆分策略，并重点展示了自动化克隆与通用接头技术的应用：通过14个合成模块组装出154个双模块组合，其中约一半（约77个）成功产生预期三酮内酯产物，验证了模块化重组的可行性。针对嵌合酶活性损失问题，随机突变可高效恢复功能。在底盘改造方面，大肠杆菌中成功重构了青蒿素前体amorphadiene及artemisinic酸的完整生物合成途径，同时通过低铁浓度细胞活力筛选提升了工程化enterobactin NRPS通路的催化效率。此外，新鉴定酶工具如AdmF、OxyD、BenQ拓展了可用的催化元件，而经工程化改造的异胡豆苷合酶（STR）能接受色胺类似物生成新生物碱。这些进展表明组合生物合成已从简单混搭进化为整合结构生物学、蛋白质工程与代谢工程的集成平台，为药物先导化合物的多样化生产提供了新机遇。
创新点
发现了新的酶工具（如AdmF、OxyD、BenQ）；实现了PKS模块的体外拆分重组；发展了合成模块的自动化组装（154个双模块组合）；利用定向进化恢复嵌合酶活性；在E. coli中成功重构复杂天然产物生物合成途径
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 聚酮化合物生物合成（红霉素） | DEBS genes | 6-脱氧红霉内酯B合酶（DEBS） | 催化 | 作为模式I型PKS用于模块重组和拆分研究 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（青蒿素） | IPP生物合成基因、合成萜类环化酶基因、植物P450氧化酶基因 | amorphadiene合酶、P450氧化酶 | 催化 | 在E. coli中生产amorphadiene和青蒿酸 |
| — | andrimid生物合成 | admF | AdmF（转谷氨酰胺酶同源物） | 催化 | 独立缩合酶，催化PKS模块与NRPS模块间异肽键形成 |
| — | 土霉素生物合成 | oxyD | OxyD（酰胺转移酶同源物） | 催化 | 与最小PKS协作催化酰胺化聚酮骨架的形成 |
| — | benastatin生物合成 | benQ | BenQ | 催化 | 选择稀有己酸起始单元，失活后产生多种直链和支链脂肪酸起始的新型五环聚酮 |
| Catharanthus roseus（长春花） | 萜类吲哚生物碱生物合成 | str | 异胡豆苷合酶（STR） | 催化 | 接受色胺类似物，产生新生物碱结构 |
| Escherichia coli | echinomycin生物合成 | echinomycin生物合成基因簇 | NRPS酶 | 催化 | 在E. coli中从头合成echinomycin，为NRPS通路研究提供平台 |
关键发现
- 通过14个合成模块组装了154个双模块组合，约一半（约77个）产生预期的三酮内酯产物
- 通过低铁浓度下细胞活力筛选，提高了工程化enterobactin NRPS通路的催化效率
- 通过随机突变恢复了结构域交换引起的活性损失，命中率高
- 在E. coli中成功生产了青蒿素前体amorphadiene和artemisinic酸
- STR工程化后能接受色胺类似物产生新生物碱
- OxyD与最小PKS协作合成酰胺化聚酮骨架。
研究结论
组合生物合成已从基础混搭阶段发展为集成平台，整合生化、结构、蛋白工程和代谢工程工具，为药物发现提供新机遇。