保罗霉素中保罗糖和保罗酸的生物合成机制研究

Paulomycins are a group of glycosylated antibiotics possessing considerable bioactivity against gram positive bacteria, especially some strains resistant to most antibiotics. Two unique structures in paulomycins are the C4 branched octose paulomycose and the paulic acid consisting of an isothiocynate moiety, which renders paulomycins the high instability. In this project, we will study the biosynthesis of paulomycose and paulic acid moieties, especially the biosynthetic mechanisms of the C4 branch installation and octose glycosylation steps in paulomycose biosynthesis and the precursors and biosynthetic pathway of the isothiocynate moiety of paulic acid. Besides that, we will try to obtain novel paulomycin derivatives by supplementing small molecules with thiol groups into the fermentation broth, since the unsaturated paulic acid moiety is tending to have addition reaction with the thiols. The paulomycin derivatives with better stability and comparable antibacterial activity will be screened out as potential antibiotic drug leads. Our results will set a solid stage for the further investigations on paulomycins.

保罗霉素是一类对耐药性革兰氏阳性细菌有良好抑菌活性的糖苷类抗生素。它结构中包含特殊的八碳分枝糖——保罗糖和具有异硫氰酸基的保罗酸，它们都对保罗霉素的活性有显著影响。另外，保罗酸中的异硫氰酸基带来的结构不稳定性限制了保罗霉素的深入研究和应用。我们将通过分子生物学、化学和酶学的研究手段，解析保罗糖和保罗酸的生物合成机理，特别是保罗糖中的八碳糖形成和糖基转移反应的机制，以及保罗酸中异硫氰酸基的来源和形成机制。同时，我们还将利用保罗酸易于发生加成反应的特性，在发酵过程中添加小分子硫醇类化合物，制备新结构的保罗霉素衍生物，筛选稳定性提高、活性良好的保罗霉素类分子。本课题研究结果将为改造保罗霉素结构，得到保罗霉素类的抗生素药物前体化合物打下基础。

保罗霉素是一类对耐药性革兰氏阳性细菌有良好抑菌活性的糖苷类抗生素。它结构中包含特殊的八碳分枝糖——保罗糖和具有异硫氰酸基的保罗酸，它们都对保罗霉素的活性有显著影响。另外，保罗酸中的异硫氰酸基带来的结构不稳定性限制了保罗霉素的深入研究和应用。在本项目中（1）针对保罗霉素的生物合成机制开展了系列研究，分别单敲除所有与保罗霉素生物合成相关的基因，并分析了突变株的发酵产物谱；同时我们还有机合成了相关底物，开展酶学研究。这些工作解析了保罗糖的大部分形成机制，确定了Pau43的功能。但是在对保罗酸的生物合成机制解析时遇到了困难。我们调整研究思路，首先解析了阿洛糖修饰的A环生物合成机制，确定了Pau17、Pau20和Pau25的功能，为研究保罗酸的生物合成提供底物；并在此基础上设计合成了一条新颖的NAD+从头合成途径，测试了其应用潜力。（2）针对制备更稳定的保罗霉素衍生物，我们测试了不同结构小分子与保罗酸中异硫氰酸基的反应活性；通过向保罗霉素产生菌的发酵液中添加小分子硫醇类化合物N-乙酰半胱胺，分离获得了新结构的保罗霉素衍生物palsimycin A、B、C、D。这些化合物在酸、碱条件下均比保罗霉素 A、保罗霉素 B更加稳定。值得一提的是，palsimycin A、palsimycin B对测试菌株的最小抑菌浓度(MIC)与保罗霉素 A、保罗霉素 B的MIC值处于同一水平，具有进一步研究开发的价值。另外，我们还通过在模式菌白色链霉菌中引入GBL类信号分子合成基因的方式，激活了保罗霉素的产生，为进一步高效制备保罗霉素类化合物奠定了基础。本项目的研究结果，特别是palsimycin类化合物的制备，将促进保罗霉素类的抗生素药物的研发。另外，在保罗霉素研究基础上人工设计的C3N途径是利用合成生物学手段回答NAD+从头合成问题的一个新解。相关不仅为研究NAD+这类重要分子合成的基础科学问题提供了新的思路，同时将极大地促进应用科学中涉及NAD+的研究。