Tandem biocatalysis unlocks the challenging de novo production of plant natural products
- 作者
- Christophe Duplais, Yannick Estevez
- 杂志
- ChemBioChem（2017）
- DOI
- 10.1002/cbic.201700508
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
植物天然产物（如单萜吲哚生物碱和西松烷型萜类）的从头生物合成面临诸多挑战，包括关键生物合成步骤的酶催化机理不明、不稳定中间体难以捕获、植物基因发掘困难，以及异源表达常导致蛋白低产量或无活性。
研究策略
通过串联生物催化策略：在体外同时添加多步反应所需的酶（如GS1和GO）以驱动不稳定中间体转化；结合基因组挖掘与系统发育分析，鉴定植物中共定位的PT-TPS基因对，并在本氏烟草中异源共表达以合成西松烷型萜类。
研究路线图
核心内容
针对植物天然产物从头生物合成中酶机理不明、不稳定中间体难捕获及异源表达活性低等瓶颈，本研究提出串联生物催化策略。在单萜吲哚生物碱途径中，于长春花细胞内揭示并鉴定GS1与GO两个关键酶，证明同时添加GS1与SGD可驱动不稳定中间体转化，避免过度还原并生成对映纯产物akuammicine；沉默CYP71D1V1则导致多种生物碱产量显著下降。在西松烷型萜类合成中，通过55个植物基因组的挖掘与系统发育分析，鉴定出18个共定位PT-TPS基因对，并在本氏烟草中异源共表达其中7对，成功产生8种结构多样的西松烷型萜类，如(+)-arathanatrien和(-)-retigeranin B。研究还揭示了植物与真菌STS蛋白的趋同进化。串联生物催化通过合理搭配酶或基因对，为解锁复杂植物天然产物及其非天然类似物的高效合成提供了可行路径。
创新点
首次揭示并鉴定了参与strictosidine aglycone向akuammicine转化的两个酶（GS1和GO），证明同时添加可避免过度还原并生成对映纯产物；首次通过共定位PT-TPS基因对的共表达在植物中合成了8种结构多样的西松烷型萜类，并揭示了植物与真菌STS蛋白的趋同进化。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus（长春花）细胞 | 单萜吲哚生物碱（MIA）生物合成 | CYP71D1V1（GO） | Geissoschizine oxidase (GO) | 催化 | 细胞色素P450氧化酶，催化geissoschizine氧化；沉默可导致多种MIA产量下降。 |
| Catharanthus roseus（长春花）细胞 | 单萜吲哚生物碱（MIA）生物合成 | GS1（酒精脱氢酶基因） | Geissoschizine synthase (GS1) | 催化 | 催化strictosidine aglycone还原生成geissoschizine；与GO同时添加时可形成akuammicine。 |
| Catharanthus roseus（长春花）细胞 | 单萜吲哚生物碱（MIA）生物合成 | SGD | Strictosidine glucosidase (SGD) | 催化 | 水解strictosidine生成strictosidine aglycone，是MIA途径的早期关键酶。 |
| Nicotiana benthamiana（本氏烟草） | 西松烷型萜类生物合成 | PT基因（prenyltransferase） | Prenyltransferase (PT) | 催化 | 负责合成C25前体geranylfarnesyl diphosphate (GFPP)，与TPS共表达产生多种西松烷型萜类。 |
| Nicotiana benthamiana（本氏烟草） | 西松烷型萜类生物合成 | TPS基因（terpene synthase） | Terpene synthase (TPS) | 催化 | 负责GFPP的环化，与PT共表达产生8种不同骨架的西松烷型萜类。 |
关键发现
- 沉默CYP71D1V1基因导致长春花中多种单萜吲哚生物碱产量显著下降
- GS1与SGD共同作用时可生成(16R)-isositsirikine异构体Z和E，再加入GO可成功分离对映纯的akuammicine
- 通过55个植物基因组的挖掘，在高严格度参数下鉴定出18个共定位PT-TPS基因对
- 从拟南芥中选取5对、Capsella rubella 1对、Brassica oleracea 1对共7对进行验证
- 在本氏烟草中共表达PT-TPS基因对，成功产生8种西松烷型萜类，包括(+)-arathanatrien、(-)-retigeranin B、(-)-ent-quinannulatene、(-)-variculartriene A、(+)-astellatene、(-)-caprutriene、(+)-boleracene、(-)-aleurodiscalene A
- 西松烷型萜类占萜类化学家族多样性的不到2%。
研究结论
串联生物催化为高效合成复杂植物天然产物及其非天然类似物提供了可行途径。两个实例表明，通过合理搭配酶或基因对，可以解锁以前难以实现的生物合成步骤。未来需进一步研究蛋白-蛋白相互作用及催化机理，以推动合成生物学应用。