Synthesis of Heterocyclic Terpenoids by Promiscuous Squalene-Hopene Cyclases
- 作者
- Miriam Seitz, Per-Olof Syren, Lisa Steiner, Janosch Klebensberger, Bettina M. Nestl, Bernhard Hauer
- 杂志
- ChemBioChem（2013）
- DOI
- 10.1002/cbic.201300018
- 所属领域
- 生物催化 / 酶工程
- 关键词
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解决的核心问题
探索三萜环化酶（角鲨烯-藿烯环化酶）的底物混杂性，利用其作为通用Brønsted酸催化剂，以功能化、缩短的多异戊二烯底物合成双环和三环杂环萜类化合物，突破传统化学合成在立体选择性上的局限。
研究策略
以来自Alicyclobacillus acidocaldarius的AacSHC和来自Zymomonas mobilis的ZmoSHC1两种角鲨烯-藿烯环化酶为催化剂，选择含有醇、酮、羧酸等末端亲核基团的C10-C16线性萜类底物（如homo-farnesol、homo-farnesic acid、farnesylacetone、nerolidol、geranylacetone等），在温和条件下进行环化反应，表征产物结构并考察酶浓度对转化率的影响。
研究路线图
核心内容
该研究利用两种角鲨烯–藿烯环化酶AacSHC和ZmoSHC1作为Brønsted酸催化剂，对多种带有醇、酮、羧酸等末端亲核基团的C10–C16线性萜类底物进行环化反应，成功合成了一系列双环和三环杂环萜类化合物。实验在温和条件下进行，通过表征产物结构并比较不同酶浓度下的转化率，发现ZmoSHC1对较短碳链底物具有明显偏好，与AacSHC的底物谱形成互补。关键结果包括：ZmoSHC1（4 mg/mL）将homofarnesol转化为ambroxan的转化率达65.6±0.9%，homofarnesic acid转化为sclareolide的转化率为22.9±3.2%，geranylacetone转化为环状烯醇醚的转化率为23.0±0.6%。此外，该酶催化还能实现(−)-caparrapioxide及其8-表异构体的立体选择性合成，无其他异构体产生，且反应不需要焦磷酸激活。这项工作证明三萜环化酶可作为通用催化剂合成环醚、内酯和烯醇醚等杂环天然产物，为香料和风味化合物的绿色合成提供了新的酶学工具。
创新点
['首次证明三萜环化酶可催化生成内酯和环状烯醇醚（如sclareolide、sclareoloxide）', '发现ZmoSHC1对较短碳链底物具有明显偏好，与AacSHC底物谱不同', '利用酶催化实现(-)-caparrapioxide及其8-表异构体的立体选择性合成，无其他立体异构体产生', '证实该类酶催化的环化反应不需要焦磷酸激活，属于class II机制']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Alicyclobacillus acidocaldarius | 萜类环化（三萜环化） | — | AacSHC | 催化 | 角鲨烯-藿烯环化酶，催化角鲨烯环化生成hopene/hopanol，底物混杂性可接受缩短的功能化多异戊二烯底物 |
| Zymomonas mobilis | 萜类环化（三萜环化） | — | ZmoSHC1 | 催化 | 角鲨烯-藿烯环化酶，对较短碳链底物（如C13、C16）表现出更高活性，比AacSHC更偏好非天然底物 |
关键发现
- 以10 mM底物、20 h转化后：ZmoSHC1（0.35 mg/mL）将homofarnesol (2)转化为ambroxan (2a)的转化率为34.8±1.4%，酶浓度提高到4 mg/mL时为65.6±0.9%；homofarnesic acid (3)转化为sclareolide (3a)的转化率为7.7±0.2%（0.35 mg/mL）和22.9±3.2%（4 mg/mL）；farnesylacetone (4)转化为sclareoloxide (4a)的转化率分别为0.7±0.1%（AacSHC）、0.2±0.0%（ZmoSHC1
- 35 mg/mL）和2.5±0.2%（ZmoSHC1 4 mg/mL）；nerolidol (5)转化为(-)-caparrapioxide/(-)-8-epi-caparrapioxide（比例为1:2或1:3）的转化率为1.4±0.8%（AacSHC）、0.5±0.0%（ZmoSHC1
- 35 mg/mL）和0.9±0.1%（ZmoSHC1 4 mg/mL）；linalool (6)无转化；geranylacetone (7)转化为环状烯醇醚7a的转化率为1.1±0.1%（AacSHC）、1.7±0.1%（ZmoSHC1
- 35 mg/mL）和23.0±0.6%（ZmoSHC1 4 mg/mL）；pseudoionone (8)无转化。天然底物squalene (1)在AacSHC下转化率为97.3±2.9%。
研究结论
三萜环化酶可作为通用Brønsted酸催化剂，通过底物工程生成多种双环和三环杂环天然产物（环醚、内酯、烯醇醚）。ZmoSHC1对较短底物表现出独特的底物特异性，有潜力用于香料和风味化合物的绿色合成，为新型生物合成路线提供了酶学工具。