RAlChU: automating the visualisation of natural product biosynthesis
- 作者
- Barbara R. Terlouw, Friederike Biermann, Sophie P. J. M. Vromans, Elham Zamani, Eric J. N. Helfrich, Marnix H. Medema
- 单位
- Bioinformatics Group, Wageningen University; Institute for Molecular Bio Science, Goethe University Frankfurt; LOEWE Center for Translational Biodiversity Genomics (TBG); Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung
- 杂志
- Journal of Cheminformatics（2024）
- DOI
- 10.1186/s13321-024-00898-x
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏自动化高质量可视化天然产物生物合成途径的工具，手动绘制费时且易引入人为错误
研究策略
开发RAlChU软件，基于NRPS/PKS/trans-AT PKS等模块化系统的通用生物合成规则，结合PIKACHU化学信息库，自动执行化学反应并生成模块分辨率的‘意大利面图’和产物结构图
核心内容
针对天然产物生物合成途径缺乏自动化高质量可视化工具、手动绘制费时且易出错的问题，研究开发了RAlChU软件包。该工具基于NRPS、PKS及trans-AT PKS等模块化系统的通用生物合成规则，并结合PIKACHU化学信息库，自动执行化学反应并生成模块分辨率的途径示意图和产物结构图。RAlChU支持PKS/NRPS杂交系统、RiPP、萜类等类型，涵盖34种常见后修饰反应，可集成antiSMASH输出或从零构建模块，并提供Python脚本接口及SVG/GIF输出。在5000个随机生成的系统中，绘图正确率达100%，可读性为97.66%；平均绘图时间分别为PKS簇2.73秒、NRPS簇9.62秒、杂交簇5.21秒。在MIBiG数据库测试无意外错误，对38个真实生物合成基因簇的验证显示结构预测与已知产物高度一致。RAlChU作为首个自动化高质量可视化工具，显著加速了生物合成模型的生成，提升了大规模基因组数据分析的效率与准确性。
创新点
首个能自动生成高质量天然产物生物合成途径可视化的软件包；支持PKS/NRPS/杂交系统、RiPP、萜类、生物碱及34种常见后修饰反应；可集成antiSMASH输出或从零构建模块架构；提供Python脚本接口和SVG/GIF输出
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | NRPS | — | Adenylation (A) domain | 催化 | 识别并激活氨基酸底物 |
| — | NRPS | — | Peptidyl carrier protein (PCP) | 转运 | 通过硫酯键携带生长中的肽链 |
| — | NRPS | — | Condensation (C) domain | 催化 | 催化肽键形成 |
| — | NRPS | — | Epimerization (E) domain | 催化 | 催化L-氨基酸α-碳差向异构为D-型 |
| — | PKS | — | Acyltransferase (AT) domain | 催化 | 选择并转移延伸单元 |
| — | PKS | — | Acyl carrier protein (ACP) | 转运 | 通过硫酯键携带聚酮链 |
| — | PKS | — | Ketosynthase (KS) domain | 催化 | 催化碳-碳键形成和脱羧缩合 |
| — | PKS | — | Ketoreductase (KR) domain | 催化 | 催化β-酮还原，决定立体化学 |
| — | PKS | — | Dehydratase (DH) domain | 催化 | 催化β-羟基脱水 |
| — | PKS | — | Enoylreductase (ER) domain | 催化 | 催化烯酰还原 |
| — | trans-AT PKS | — | KS domain subtype | 催化 | 根据44种KS亚型预测底物特异性 |
| — | RiPP | — | Precursor peptide | 调控 | 作为核糖体合成的前体，经翻译后修饰形成成熟产物 |
| — | Terpene | — | Terpene cyclase | 催化 | 催化寡异戊二烯前体环化形成萜类骨架 |
| — | Alkaloid | — | Amino acid starter | 催化 | 作为生物碱生物合成的起始底物，经多步修饰生成产物 |
关键发现
- 在5000个随机生成的PKS/NRPS系统中，绘图正确率100%，可读性97.66%
- 平均绘图时间：PKS簇2.73秒，NRPS簇9.62秒，NRPS/PKS杂交簇5.21秒
- 支持281种NRPS底物、25种PKS起始底物、5种延伸底物和34种修饰反应
- 在MIBiG数据库上运行无意外错误，对38个真实BGC的验证显示结构预测与已知产物高度一致
研究结论
RAlChU是首个能自动化可视化天然产物生物合成途径的工具，显著加速生物合成模型的生成，提高大规模基因组数据分析的效率和准确性，并减少人为错误