通过组合生物合成和生物催化来设计生产自然-生物化学与分子生物学.PPTVIP

通过组合生物合成和生物催化来设计生产天然产物李健 Introduction 在不同的自然资源中，例如细菌、真菌、植物等天然产物都是作为小分子被发现的。总之，这些天然产物在治疗人类疾病，疾病感染、神经疾病、心血管疾病以及代谢和肿瘤疾病等方面起着重要的作用，因此，天然药物的发现和开发的重要性是不言而喻的。在过去的二十年里，超过三分之一的小分子药物都是天然产物或者是他们的派生物。然而，被证明具有抗菌作用的药物超过75%都是天然产物或者是他们的派生物。目前，许多天然产物生物合成途径都是可以认为改变的包括多聚乙酰、萜烯、生物碱。发展一些新的基因工程工具来通过生物合成一些非自然的天然产品。组合生物合成又称基因工程已经成为一个强大的平台，可以得到结构多变以及作为化学衍生的主要原料。在过去的5年里，组合生物合成的尖端技术已经显著的推进了一些进展。 首先，染色体组和宏基因组数据的获得有利于直接鉴定、激活和描述生物合成的基因簇。第二，合成生物学的发展为体外DNA的操纵和蛋白质的表达提供了更有利的条件。第三，外源基因在大肠杆菌和酿酒酵母中表达同样重要。最快的生长特性、大量的遗传工具、固定的代谢路径使那些宿主变得非常有利于生物合成。 天然产物生物合成途径的特性揭示了各种各样的酶不总是与其它细胞功能包括初级代谢相联系。许多新型的酶在合成一些衍生的药物化合物和药物中间体的过程中作为生物催化剂，这并不奇怪，由于这些酶的底物和产物都是重要的药物分子。生物催化可以取代目前的多步半合成路线或生产一些通过化学合成不了的结构多变的天然产物。 生物合成天然产物的必威体育精装版进展 环脂肽 环脂肽是天然产物家族中的一员，它是由一个环形的肽核心通过脂肪酰基共价键连接到N-末端氨基酸残基。在这个家族里最重要的代表是达托霉素，这是一种酸性的环脂肽抗生素，通过13个C的脂肪酸与色氨酸的N-末端相连。在过去的30年里，达托霉素是唯一一个天然产物结构类被批准用于临床的抗菌剂。由于其临床意义，组合生物合成已应用达托霉素类似物的合成，提高他们的药理特性。通过分析达托霉素结构和剖析其合成途径，在肽核心和脂肪酰基侧链之间可以进行合理的修饰。达托霉素的循环核心是通过非核糖体肽合成酶（NRPS)，其中激活和凝聚特定的氨基酸都要依赖ATP。通过基因中断来灭活生物合成的这些不同寻常的氨基酸可能会导致改变循环的核心，因为释放的底物特异性激活了NRPS。 大环内酯物 大环内酯类抗生素是有细菌I型聚合酶（PKS)合成的，这种方法成功的应用于爱博霉素、红霉素、雷伯霉素和苦霉素。在PKS家族成员中最著名的是6-脱氧红霉素内酯合成酶（DEBS)，它合成脱红霉素的糖苷配体，在一个经过基因改造的大肠杆菌菌株中合成大环内酯脱红霉素B是一个里程碑。科斯拉和其同事用高通量筛选的大肠杆菌突变株来改善红霉素C的滴度。 爱博霉素是由先微囊菌通过混合PKS和NRPS产生的。为了克服在大肠杆菌中基因克隆和翻译的各种困难，肯尼迪及其同事设计并合成组装了一个55kb的基因簇，这种方法导致了可以在大肠杆菌中可溶性表达爱博霉素C、D 海洋和植物中的天然产物 分离海洋放线菌的次生代谢产物是个充满希望的新的化学物质和有用药品的来源。抗癌物质Salinospora tropica是由海洋细菌产生的是20S蛋白酶体强有力的抑制剂并能有效的对付结肠癌细胞株。基因组测序揭示了许多天然产物的生物合成途径。基于基因组信息，Moor及其同事用基因失活和前体指导相结合的方法来合成Salinospora tropica类似物。从上述的例子中可以看出此方法为蛋白酶体抑制剂的合成提供了可能性。 海洋和植物中的天然产物 人类从植物中获取的天然产物成分已经有好几千年了。不幸的是，许多化合物在植物体内含量很低，要不就是通过大规模的抽提，这对环境造成了严重的影响。为了克服这些限制，很多化合物的生物合成途径通过基因重组的手段已在微生物宿主体内得到表达。最显著的例子就是抗疟疾的药物青蒿素的获得，这是一个萜类化合物是由中国的药用植物所产生的中药。青蒿酸是青蒿素的前提物质，当在大肠杆菌中改造P450酶的功能可以获得青蒿素。令人印象深刻的是，酿酒酵母被改造成生产青蒿素，它的产率比天然植物体内的含量更高，为抗疟疾药物的低成本生产铺平了道路。 佐藤及其同事利用工程菌采用一步法生产心果碱并且产率很高，然后这些心果碱作为酿酒酵母（改造）的底物可以转变成阿朴啡类生物碱或原小蘖碱。这些策略将使微生物代谢工程合成较为复杂的药用相关的生物碱比如