Synthesis of depressin, cryptomeridiol and 4-epi-cryptomeridiol enabled by a terpenoid chiral pool-producing platform
- 作者
- Yao Kong, Tao Wang, Chen Wang, Pengcheng Zhang, Yuanning Liu, Kaibiao Wang, Fen Liu, Hongli Jia, Zhengren Xu
- 单位
- State Key Laboratory of Natural and Biomimetic Drugs, Department of Integration of Chinese and Western Medicine, School of Basic Medical Sciences, Peking University, Beijing 100191, China; Beijing Key Laboratory of Carbohydrate Intelligent Manufacture and Functional Applications, School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100191, China
- 杂志
- Beilstein Journal of Organic Chemistry（2026）
- DOI
- 10.3762/bjoc.22.53
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用扩展的萜类手性池策略，将生物法生产的萜烯骨架作为起始原料，高效合成结构复杂的萜类天然产物depressin、cryptomeridiol和4-epi-cryptomeridiol。
研究策略
构建含异戊烯醇利用途径（IU pathway）和萜烯环化酶的大肠杆菌异源宿主，外源添加异戊烯醇（prenol和isoprenol）生产casbene（4）和germacrene A（5），然后通过后期化学修饰（烯丙位氧化、跨环环化、水合等）完成目标分子的合成。
核心内容
本研究构建了基于大肠杆菌的异源萜烯生产平台，将合成生物学产生的萜烯骨架纳入“手性池”策略，实现了三种复杂萜类天然产物的高效合成。通过在宿主中引入异戊烯醇利用途径及casbene合酶或germacrene A合酶，外源添加prenol和isoprenol，工程菌XT02020与XT02019分别生产casbene达110 mg·L⁻¹和germacrene A达100 mg·L⁻¹。以casbene为原料，经烯丙位氧化、DMP氧化、Luche还原、脱氧及去保护等9步反应合成depressin，最后三步产率29%；以germacrene A为原料，通过PTSA跨环环化和Mukaiyama水合两步反应分别获得cryptomeridiol（31%）和4-epi-cryptomeridiol（20%）。该工作将生物法生产的萜烯骨架纳入传统手性池范畴，结合微生物发酵与化学合成的优势，展示了从简单前体到复杂天然产物的简洁合成路径，为其他萜类天然产物的半合成提供了可借鉴的策略。
创新点
将合成生物学产生的萜烯骨架纳入'手性池'概念，扩展了传统手性池的适用范围；结合生物合成和化学合成优势，实现了从简单前体到复杂天然产物的简洁合成。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 异戊烯醇利用途径 | EcthiM | hydroxyethylthiazole kinase | 催化 | 来自E. coli，参与异戊烯醇磷酸化 |
| Escherichia coli | 异戊烯醇利用途径 | Mijpk | isopentenyl phosphate kinase | 催化 | 来自Mathanocaldococcus jannaschii |
| Escherichia coli | 异戊烯醇利用途径 | idi | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 来自E. coli，催化IPP与DMAPP异构 |
| Escherichia coli | 异戊烯醇利用途径 | ispA | farnesyl pyrophosphate synthase | 催化 | 来自E. coli，催化IPP/DMAPP缩合生成FPP |
| Escherichia coli | 异戊烯醇利用途径 | crtE | geranylgeranyl pyrophosphate synthase | 催化 | 来自Pantoea agglomerans，催化FPP延伸生成GGPP |
| Escherichia coli | casbene生物合成 | cs | casbene synthase (CS) | 催化 | 来自Ricinus communis，环化GGPP生成casbene |
| Escherichia coli | germacrene A生物合成 | gas | germacrene A synthase (GAS) | 催化 | 来自Tanacetum parthenium，环化FPP生成germacrene A |
关键发现
通过优化发酵条件，大肠杆菌工程菌XT02020和XT02019分别生产casbene 110 mg·L⁻¹和germacrene A 100 mg·L⁻¹。以casbene为原料，经SeO₂/TBHP烯丙位氧化得到13-羟基casbene（48%产率，克级39%），DMP氧化得烯酮9（83%），再次SeO₂氧化得到9-羟基和5-羟基产物（21%和20%），TBS保护（96%），Luche还原（dr=5:3），甲基草酸酯脱氧，TBAF去保护，DMP氧化，最终以9步总合成depressin（最后三步产率29%，另有双键异构体15产率39%）。以germacrene A为原料，经PTSA跨环环化和Mukaiyama水合，两步得到cryptomeridiol（31%）和4-epi-cryptomeridiol（20%）。
研究结论
成功构建了基于大肠杆菌的异源萜烯生产平台，利用扩展的萜类'手性池'策略，通过生物合成与化学合成的结合，实现了depressin（9步）、cryptomeridiol和4-epi-cryptomeridiol（2步）的高效合成，验证了该策略在复杂萜类天然产物合成中的实用性。