Terpenoid Synthases—From Chemical Ecology and Forest Fires to Biofuels and Bioproducts
- 作者
- Joerg Bohlmann
- 单位
- Michael Smith Laboratories, University of British Columbia, 2185 East Mall, Vancouver, BC V6T 1Z4, Canada
- 杂志
- Structure（2011）
- DOI
- 10.1016/j.str.2011.11.009
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用萜类合酶（TPS）的三维结构信息促进萜类生物燃料和高价值生物制品的代谢工程改造。
研究策略
评述（E）-α-红没药烯合酶等三结构域TPS酶的结构解析进展，分析这些结构对理解TPS进化与功能的意义，并提出基于结构进行酶工程和代谢工程的策略。
核心内容
该文聚焦于利用萜类合酶三维结构信息推动代谢工程改造，以生产生物燃料和高价值生物制品。作者评述了三种三结构域萜类合酶的结构解析进展，包括从大冷杉中首次克隆表征的(E)-α-红没药烯合酶、紫杉二烯合酶以及对映-柯巴基二磷酸合酶。这些酶共享一个由α-螺旋构成的三结构域原型结构，该结构的阐明为理解萜类合酶的进化与功能关系提供了关键框架。基于结构信息，研究者可针对底物特异性和催化效率进行理性设计，进而通过体外进化提升酶性能。例如，红没药烯合酶催化的产物红没药烷可作为D2柴油替代品，结构解析为在微生物中高效合成此类燃料铺平了道路。文中虽未报告具体产量数值，但明确指出三维结构为萜类合酶的工程改造奠定了分子基础，有望加速利用植物来源的萜类合酶在微生物宿主中实现萜类燃料和生物制品的高产，对可持续生物制造具有重要推动意义。
创新点
完成三种三结构域TPS酶（(E)-α-红没药烯合酶、紫杉二烯合酶、对映-柯巴基二磷酸合酶）的三维结构解析，阐明了它们共享的α-螺旋三结构域原型结构；为TPS酶的体外进化和高产量生物燃料生产提供结构基础。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大冷杉 (Abies grandis) | 倍半萜生物合成 | — | (E)-α-红没药烯合酶 | 催化 | 催化形成(E)-α-红没药烯，是红没药烷的前体；本文解析了其三维结构 |
| 植物（红豆杉等） | 二萜生物合成 | — | 紫杉二烯合酶 (taxadiene synthase) | 催化 | 参与紫杉醇前体紫杉二烯的形成，三结构域TPS之一 |
| 植物 | 赤霉素生物合成 | — | 对映-柯巴基二磷酸合酶 (ent-copalyl diphosphate synthase) | 催化 | 参与植物赤霉素激素生物合成，三结构域TPS之一 |
关键发现
- 萜类天然产物有数万种，具有广泛的生态功能
- (E)-α-红没药烯合酶于十多年前从大冷杉（Abies grandis）中首次克隆和表征，McAndrew等人解析了其三维结构，完成三种三结构域TPS的结构解析。这些结构可能促进TPS酶的体外进化，用于高产量生产萜类生物燃料（如红没药烷，可作为D2柴油替代品）和生物制品。文中未报道具体产量数值，但明确指出了结构信息对代谢工程的推动作用。
研究结论
三结构域TPS酶的三维结构解析为萜类合酶的工程改造提供了分子基础，有助于利用植物TPS酶在微生物中高效生产萜类燃料和生物制品。