Nature-inspired enzymatic cascades to build valuable compounds
- 作者
- Renata Sigrist, Bruna Zucoloto da Costa, Anita Jocelyne Marsaioli, Luciana Gonzaga de Oliveira
- 单位
- Department of Organic Chemistry, Institute of Chemistry, University of Campinas, UNICAMP, P.O. Box 6154, 13083-970 Campinas, SP, Brazil
- 杂志
- Biotechnology Advances（2015）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2015.03.010
- 所属领域
- 生物催化
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用自然界启发的多酶级联反应代替单步化学转化，以绿色、高立体选择性的方式构建哌啶、吡咯烷、多肽生物碱及聚醚等高价值复杂化合物。
研究策略
系统综述了天然生物合成途径中的多酶级联策略，包括转氨酶与自发环化结合、转氨酶-单胺氧化酶级联、非核糖体肽合成酶体外重构、环氧化-水解-环化级联，以及萜烯环化酶等多酶体系，并强调利用酶的底物杂泛性和立体选择性进行化学酶法合成。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了受自然界启发的多酶级联反应在构建哌啶、吡咯烷、多肽生物碱及聚醚等高价值复杂化合物中的应用。作者梳理了多种级联策略，包括转氨酶与自发环化结合、转氨酶-单胺氧化酶一锅反应、非核糖体肽合成酶体外重构以及环氧化-水解-环化级联等，并强调利用酶的底物杂泛性和立体选择性实现化学酶法合成。关键结果方面，ATA-301催化niraparib关键中间体获得82%产率和>99% ee；西他列汀合成在200 g/L底物浓度下达到92%产率与>99.9% ee，较化学法生产率提高53%、废物减少19%；转氨酶/MAO-N级联合成2,5-二取代吡咯烷的对映选择性>94% ee、非对映选择性>98% de。研究还揭示了环氧化物水解酶可促进不利的6-endo-tet环化以选择性构建聚醚骨架。这些结果表明，天然生物合成途径的知识与蛋白质工程相结合，正推动多酶级联成为复杂分子全合成中引入手性的重要补充工具。
创新点
['通过动态动力学拆分实现4-苯基吡咯烷-2-酮的不对称合成，为生物碱合成提供新途径', '开发转氨酶-单胺氧化酶一锅级联反应，实现2,5-二取代吡咯烷的高对映和非对映选择性合成', '设计杂合双模块NRPS系统，将不同来源的环化、氧化域组合用于非天然肽生物碱的合成', '揭示LasB等环氧化物水解酶能促进不利的6-endo-tet环化，实现THF-THP聚醚骨架的选择性构建', '证明吡喃合酶和角鲨烯-hop烯环化酶具有底物宽容性和立体选择性，可用于构建环醚和杂环萜类']
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 哌啶生物碱生物合成 | — | 二胺氧化酶 | 催化 | 催化尸胺氧化脱氨生成氨基醛，进而环化形成Δ1-哌啶因 |
| — | 哌啶/吡咯烷生物碱生物合成 | ATA-117 | ω-转氨酶 | 催化 | 用于西他列汀工业合成，27个突变位点的变体 |
| — | 哌啶生物碱生物合成 | — | ω-转氨酶 | 催化 | 从1,5-二酮单胺化合成哌啶，多种来源（如紫色色杆菌、节杆菌属） |
| — | 吡咯烷生物碱生物合成 | — | 单胺氧化酶N (MAO-N) | 催化 | 来自黑曲霉，经定向进化用于胺脱消旋 |
| Streptomyces sp. GF3546 | 哌啶/吡咯烷生物碱生物合成 | — | 亚胺还原酶 | 催化 | S-选择性亚胺还原酶，用于环状亚胺不对称还原 |
| — | 聚醚离子载体生物合成 | monC | 黄素单加氧酶 | 催化 | 莫能菌素生物合成中催化三烯中间体环氧化 |
| — | 聚醚离子载体生物合成 | monBI, monBII | 环氧化物水解酶 | 催化 | 莫能菌素环氧化物开环级联，两亚基协同作用 |
| — | 聚醚离子载体生物合成 | lasC | 黄素单加氧酶 | 催化 | 拉沙里菌素生物合成中催化二烯前体两次半环氧化 |
| — | 聚醚离子载体生物合成 | lasB | 环氧化物水解酶 | 催化 | 拉沙里菌素环化酶，能促进不利的6-endo-tet环化，控制THF-THP成环 |
| Pseudomonas aeruginosa | 非核糖体肽生物合成（pyochelin） | pchD, pchE, pchF, pchG | NPRS多模块酶 | 催化 | 体外重构pyochelin生物合成，涉及11个催化域、13个化学步骤 |
| — | 非核糖体肽生物合成 | — | Cy环化域、Ox氧化域、MT甲基转移酶域、TE硫酯酶域 | 催化 | 杂合双模块NRPS系统用于噻唑/恶唑杂环形成 |
| — | 聚酮化合物环化 | — | 吡喃合酶 | 催化 | 来自pederin生物合成途径的PKS域，通过oxa-共轭环化构建THP环 |
| Zymomonas mobilis | 萜类生物合成 | ZmOSHCl | 角鲨烯-hop烯环化酶 | 催化 | 催化高法尼醇等底物生成Ambroxan等杂环萜类 |
| Alicyclobacillus acidocaldarius | 萜类生物合成 | AacSHC | 角鲨烯-hop烯环化酶 | 催化 | 与ZmOSHCl类似，具有底物杂泛性和高立体选择性 |
| — | 化学酶法合成尼拉帕利 | ATA-301, ATA-302 | ω-转氨酶 | 催化 | 催化醛36转氨生成内酰胺37，产率82%，ee>99% |
关键发现
['niraparib关键中间体37通过ATA-301催化获得82%产率和>99% ee', '1,5-二酮39a-e的ω-转氨酶区域选择性单胺化反应在多数情况下达到>99% ee，氢化后得到>99% de的顺式哌啶', '(+)-dihydropinidine及其对映体经两步化学酶法分别以94%和85%产率获得', 'isosolenopsin通过介质工程优化后以64-65%总产率获得光学纯产物', '转氨酶/MAO-N级联合成2,5-二取代吡咯烷，对映选择性>94% ee，非对映选择性>98% de', 'Merck-Codexis开发的反式转氨酶变体在200 g/L底物浓度下以92%产率和>99.9% ee合成西他列汀，比化学法总产率提高10-13%，生产率提高53%，废物减少19%', '吡喃合酶催化pederin硫酯底物环化，得到syn和anti产物，ee分别为88.6%和66.8%', '体外重构pyochelin生物合成需11个催化域参与至少13个化学步骤']
研究结论
多酶级联方法即将成为在复杂分子全合成中引入手性的一种补充工具；天然产物生物合成途径的知识与蛋白质工程进展相结合，正在推动生物催化领域向理性生产复杂手性砌块方向发展。