新型紫色杆菌素卤化衍生物合成途径的人工设计及其生物活性表征与筛选

Violaceins, bisindole structure containing natural products produced by a diversity of microbes, show promising bioactivities exemplified by antitumoral, antibacterial, antifungal, antiviral, antiprotozoans and antioxidant activities, and have potential R&D and application values as drug leads. As is well-known, halogenation is an important way to improve the bioactivities and physical properties of pharmaceuticals. Therefore, this project firstly plans to artificially construct novel and efficient biosynthetic pathways for halogenated violaceins in Escherichia coli BL21(DE3) and then introduces the fluorinated and chlorinated tryptophan building blocks into violaceins to create a library of none-natural halogenated violacein derivatives based on protein structure-based directed evolution, biotransformation and combinational biosynthesis strategies. In addition, we plan to evaluate the bioactivities of these novel none-natural violacein derivatives against tumor cell lines, bacteria and fungi, etc and screen for bioactivities-significantly increased compouds. This work will not only greatly expand the structural diversity of high value-added violacein derivatives, but also lay a solid material basis for the future application of these promising drug leads, and simultaneously provide operable synthetic biology elements for structural halogenation of other similar bioactive drug leads.

紫色杆菌素（Violaceins）是微生物次级代谢产生的并吲哚天然产物，显示突出的抗肿瘤、抗病原细菌和真菌、抗病毒、抗氧化、抗病原原生动物等生理活性，具有重要的研究开发价值和成药潜力。卤素化骨架衍生被普遍证实是一种显著增强药物生理活性和改善物理特性的重要方式。本项目利用酶的定向进化、生物转化、组合生物合成等策略，在模式大肠杆菌中人工设计新型的Violaceins卤化物生物合成途径，将多种类型的氟/氯化色氨酸单元高效地引入到Violaceins的骨架结构中，建立一定规模的“非天然”Violaceins卤化衍生物库；其次以多种肿瘤细胞系、细菌和真菌等对这些新结构卤化物进行生物活性表征与筛选。本项目将不仅大大丰富Violaceins类高附加值药物先导物的结构多样性，而且可能进一步显著提高其成药潜力，为该药物先导物的应用打下重要的物质基础，并为结构相近的先导化合物的酶法卤化衍生提供合成生物学平台。

紫色杆菌素是微生物通过次级代谢产生的一类并吲哚生物碱，溶液中为紫色或蓝紫色物理特征，被证实具有抗肿瘤、抗细菌、抗真菌、抗氧化、抗锥虫病等多种生物活性，在医药、食品、化妆品、印染等多个行业均具有重要的应用潜力和开发价值。卤化修饰是改善化合物生理活性和物理性能的一种有效方式。本项目通过基因组挖掘、生物信息学分析、基因簇克隆和异源表达、合成生物学改造和生化表征等实验方法，做出了以下重要结果：（1）开发出一种新型的核糖体工程技术，获得了多个产量提高的基因工程菌种资源，不同于传统的低温发酵（20度或25度），实现了在较高温度条件下（30度或37度）显著提高了紫色杆菌素的发酵效价，可以在未来工业发酵过程中减少因降温措施而产生的能耗，具有一定的应用价值；（2）发掘到一类新型的特异性吲哚卤化酶，在此项研究中意外发现了核黄素还原酶催化多种芳香性化合物发生碘化修饰的机理，对近期发表在两篇Nature子刊中（Danai S. Gkotsi et al., Nature Chemistry, 2019; Shogo Mori et al., Nature Communications, 2019）关于核黄素依赖型碘化酶的报道提出了合理质疑，修正了人们对于这种特殊酶催化反应的认识，提出了自然界中的核黄素碘化酶可能并不存在或者有待进一步被发现的观点，具有一定的理论革新意义；（3）获得了多种新型的紫色杆菌素卤化衍生物及其中间体，为新型卤化紫色杆菌素的深入研究和应用打下物质基础。本项目中取得的一系列研究结果，不仅具有一定的实际应用价值和理论突破意义，而且为进一步开展更加深入的科学探索确定了研究方向、打下了坚实基础。