Harnessing enzyme plasticity for the synthesis of oxygenated sesquiterpenoids
- 作者
- Melodi Demiray, David J. Miller, Rudolf K. Allemann
- 单位
- School of Chemistry, Cardiff University, Main Building, Park Place, Cardiff, CF10 3AT. United Kingdom
- 杂志
- Beilstein Journal of Organic Chemistry（2019）
- DOI
- 10.3762/bjoc.15.215
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
开发高效合成含氧倍半萜的新方法，利用ADS酶的活性位点可塑性接受非天然甲氧基FDP类似物，探究非天然官能团对萜类环化酶催化反应的影响。
研究策略
化学合成8-甲氧基法尼基焦磷酸（8-methoxy-FDP, 11）和12-甲氧基法尼基焦磷酸（12-methoxy-FDP, 12），将其作为底物与amorphadiene synthase (ADS)体外孵育，通过GC-MS和NMR鉴定产物结构，并基于产物分析提出反应机理。
核心内容
本研究利用amorphadiene synthase（ADS）的活性位点可塑性，开发了一种“先氧化后环化”的逆生物合成策略合成含氧倍半萜。研究者化学合成了两种非天然的甲氧基法尼基焦磷酸类似物（8-甲氧基-FDP和12-甲氧基-FDP），并以其为底物与ADS进行体外孵育。GC-MS和NMR分析表明，ADS能高效接受这些空间位阻较大的底物：催化8-甲氧基-FDP生成8-甲氧基-γ-humulene（85%）和次要产物(E)-8-甲氧基-β-farnesene（15%）；催化12-甲氧基-FDP则得到12-甲氧基-β-sesquiphellandrene与12-甲氧基zingiberene的混合物（比例1:2.4）。化学合成中，通过硒二氧化物氧化法尼醇分别获得12-羟基和8-羟基法尼醇，产率依次为48%和11%。关键发现是甲氧基的π-酸性和诱导效应深刻改变了碳正离子反应途径，从而导向不同的环化产物。该工作证明I类倍半萜环化酶能容忍非天然官能团，为利用萜类合酶构建结构多样的含氧倍半萜库提供了可行策略，相关产物在医药和农业领域具有应用潜力。
创新点
首次证明ADS能接受体积较大的甲氧基取代FDP类似物，通过“先氧化后环化”的逆生物合成策略，直接合成8-甲氧基-γ-humulene、12-甲氧基-β-sesquiphellandrene等含氧倍半萜；揭示了甲氧基的π-酸性和诱导效应深刻影响碳正离子反应途径。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 青蒿素生物合成途径 | — | amorphadiene synthase (ADS) | 催化 | 来自Artemisia annua，催化FDP及其甲氧基类似物（8-甲氧基-FDP和12-甲氧基-FDP）的环化 |
关键发现
- ADS催化8-甲氧基-FDP生成8-甲氧基-γ-humulene（主要产物，85%）和(E)-8-甲氧基-β-farnesene（次要产物，15%），两者分子质量均为234
- 催化12-甲氧基-FDP生成12-甲氧基-β-sesquiphellandrene和12-甲氧基zingiberene的混合物，比例为1:2.4。化学合成中，硒二氧化物氧化法尼醇得到12-羟基法尼醇（产率48%）和8-羟基法尼醇（产率11%）。
研究结论
ADS作为I类倍半萜环化酶，能高效转化易得的甲氧基FDP类似物生成具有医疗和农业应用潜力的含氧倍半萜，结果揭示了非天然官能团对萜类环化酶催化级联的效用和局限，为未来生物催化合成设计提供依据；该策略可扩展至其他萜类合酶以构建非天然倍半萜库。