以合成生物学为导向的Maremycins生物合成研究

合成生物学结合分子生物学和工程学的原理，通过工程化的系统设计、运用模块化的元素构建新的合成途径或新的生命体系来生产所预期的药物、功能材料或能源替代物。本项目拟以海洋链霉菌Streptomyces sp.B9173产生的哌嗪二酮类化合物Maremycins作为研究模板，在克隆Maremycins的生物合成基因簇基础之上，并借助生物信息学的分析,重点揭示3-Substituted-3-hydroxy-2-oxindole这一特殊结构单元的生物合成机理和Maremycins 系列化合物之间相互转化的酶学机制。在全面理解Maremycins的生物合成机制的基础上，实现Maremycin 生物合成途径的体外组装，并运用合成生物学的理念，通过设计和运用获得的生物元件构建新的生物合成途径，以此获取非天然的哌嗪二酮类化合物。

Maremycins 是由一株海洋链霉菌Streptomyces sp. B9173产生的含有6个组分的哌嗪二酮类次级代谢产物。此类化合物具有抗菌，抗病毒，免疫抑制及抗肿瘤等多种重要的药理活性。我们确定了含有17个基因的Maremycins生物合成基因簇。通过基因的选择性失活和考察突变菌株的发酵生产情况，明确了四个非核糖体肽合成酶负责了哌嗪二酮核心结构的组装，5个聚酮合酶催化了E和F组分中环戊烯羧酸的生物合成。其他8个基因分别负责前体的生物合成、哌嗪二酮核心结构的氧化和甲基化修饰及E和F组分的组装。非核糖体肽合成酶的腺苷功能域的生物化学研究表明MarQ可以识别活化S-甲基半胱氨酸和丝氨酸，暗示A、B和C组分源于MarQ活化S-甲基半胱氨酸，而D组分可能源于MarQ对丝氨酸的识别活化。E和F组分源于哌嗪二酮与环戊烯羧酸的组合。此外，我们深入地研究了(2S,3S)-3-甲基色氨酸生物合成的酶学机制，MarI(碳甲基转移酶)和MarG(氨基转移酶)组合催化L-色氨酸转化为(2S,3R)-3-甲基色氨酸，而MarH(异构化酶)的加入将产物转变为(2S,3S)-3-甲基色氨酸。利用定点突变和同位素标记的底物深入研究了MarH的催化构型翻转的机理。研究成果分别发表在《Angew Chem Int Ed》和《ChemBioChem》等SCI期刊及国内的核心期刊上。