Exploiting the Potential of Meroterpenoid Cyclases to Expand the Chemical Space of Fungal Meroterpenoids
- 作者
- Takaaki Mitsuhashi, Lena Barra, Zachary Powers, Volga Kojasoy, Andrea Cheng, Feng Yang, Yoshimasa Taniguchi, Takashi Kikuchi, Makoto Fujita, Dean J. Tantillo, John A. Porco Jr, Ikuro Abe
- 单位
- Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo; Division of Advanced Molecular Science, Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences; Department of Chemistry and Center for Molecular Discovery (BU-CMD), Boston University; Department of Chemistry, University of California Davis; Central Laboratories for Key Technologies, Kirin Holdings Co. Ltd.; Rigaku Corporation; Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo; Collaborative Research Institute for Innovative Microbiology, The University of Tokyo
- 杂志
- Angewandte Chemie International Edition（2020）
- DOI
- 10.1002/anie.202011171
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
评估真菌meroterpenoid环化酶的底物混杂性，以扩展真菌meroterpenoid的化学空间，并阐明其催化机制。
研究策略
利用化学酶法合成含DMOA的天然及非天然底物类似物，与九种真菌meroterpenoid环化酶进行体外反应，结合HPLC监测、2D NMR和晶体海绵X射线衍射分析产物结构，并通过DFT计算研究环化机理。
核心内容
该研究系统评估了真菌meroterpenoid环化酶的底物混杂性，以扩展真菌meroterpenoid的化学空间。作者通过化学酶法合成了含DMOA部分的天然及非天然底物类似物，与九种来自不同生物合成途径的环化酶进行体外反应，利用HPLC监测、2D NMR及晶体海绵X射线衍射解析产物结构，并结合DFT计算阐明环化机理。结果显示，这些环化酶对底物中多酮部分的修饰以及法尼基链C2/C3双键的几何异构表现出高度容忍性，但严格识别环氧化物的立体化学。通过该方法共获得12种非天然meroterpenoid，其中8种为新化合物；Trt1对天然底物的Km为34 μM，对非天然底物的Km升至95至144 μM，Vmax相应下降。特别地，AndB催化(10S,5'R)-9a生成了具有前所未有的6-5环系的新骨架化合物25。该研究揭示了真菌meroterpenoid环化酶作为生物催化剂的可塑性，为设计人工生物合成途径和组合生物合成策略、生成具有生物活性的新颖meroterpenoid提供了新思路。
创新点
系统揭示了真菌meroterpenoid环化酶对底物中多酮部分和法尼基链几何异构的高容忍性；开发了化学酶法合成非天然meroterpenoid的路线；应用晶体海绵X射线衍射解析非晶体产物结构；发现了一种以前未报道的6-5环系新骨架。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | pyripyropene生物合成 | Pyr4 | Pyr4 | 催化 | 来源于Aspergillus fumigatus，天然催化(10S)-环氧法尼基-DMOA环化 |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | macrophorin生物合成 | MacJ' | MacJ' | 催化 | 来源于Penicillium chrysogenum MT-12，与MacJ同源（96%同一性） |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | chrodrimanin生物合成 | CdmG | CdmG | 催化 | 来源于Penicillium verruculosum |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | ascochlorin生物合成 | AscF | AscF | 催化 | 来源于Aspergillus sp.，仅接受(10S)-10a |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | antidomin生物合成 | AndB | AndB | 催化 | 来源于Aspergillus sp.，催化生成含6-5环系产物 |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | preteretronin/teretronin生物合成 | Trt1 | Trt1 | 催化 | 来源于真菌，天然底物(10R,5'R)-7b，也接受(10S)-7a和(10R)-9b |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | andrastin生物合成 | AdrI' | AdrI' | 催化 | AdrI变体，接受(10R,5'R)-7b及(10S)-7a和(10R)-9b |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | protoaustinoid生物合成 | PrhH | PrhH | 催化 | 仅接受天然底物(10R,5'R)-7b，不接纳非天然底物 |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | novofumigationin生物合成 | NvfL | NvfL | 催化 | 不接受任何测试的非天然底物 |
关键发现
- 通过化学酶法获得了12种非天然meroterpenoid，其中8种为新化合物
- Trt1对天然底物(10R,5'R)-7b的表观Km为34 μM，对非天然底物(10S,5'R)-7a和(10R)-9b分别为95 μM和144 μM，Vmax分别为22、7和0.5 μM min^-1
- 所有底物的环氧化物立体选择性为88-98% ee
- Pyr4、CdmG、MacJ'、AndB等仅接受(10S)-环氧化物底物，而Trt1和AdrI'还接受(10S)-环氧化物底物
- AndB催化(10S,5'R)-9a生成具有前所未有的6-5环系的化合物25。
研究结论
真菌meroterpenoid环化酶具有高底物混杂性，可接受DMOA部分修饰和法尼基链C2/C3双键几何异构的底物，但严格识别环氧化物立体化学。这种混杂性可用于设计人工生物合成途径和组合生物合成策略，以生成具有生物活性的新颖meroterpenoid。