酶介导的手性成环研究

With the devlopment of genome sequencing and genome mining, more and more enzyme mediated cyclization in natural product biosynthesis have been found. These enzymes including the C-terminal thioestereases in PKS and NRPS, Diels-Alderases, and P450s, can be directly applied or used as bioinspired hints in stero-selctive synthesis in cyclization reactions of natural products. However, little is known about their structural and biochemical basis in cyclization process. We aim to combine biosynthesis, structural enzymology and bio-inspired organic reaction for efficient synthesis in cyclized natural products. We plan to probe the molecular mechanism of LepI as the first hetero-DA enzyme and PdxI as the first ene enzyme. The molecular basis of bicozamycin and lankacidins biosynthetic will also be studied in this work. The results from this enzyme mediated cyclization reaction will be beneficial for building natural products with cyclic structure in a more efficient way.

随着基因组测序、基因组挖掘技术的不断进展，天然产物的酶促环合反应逐渐被发现，它们包括聚酮合酶和非核糖体肽合酶中的末端硫酯酶、D-A酶、P450酶等，可以直接应用或启发环状天然产物的立体选择性合成。但是其中许多的大环化酶学机制问题没有得到解决或者仅仅停留在推测阶段，急需进一步验证并深入研究催化机制。本项目拟借助我们在生物合成、结构酶学和有机仿生合成方面的优势，充分发挥团队在化学与生物学交叉研究方面的特色，去阐明包括以LepI、PdxI为代表的周环反应酶在催化D-A、HDA、retro-Claisen重排合成活性天然产物中的分子机制以双环霉素生物合成为代表的链氧杂桥环DKP手性成环机制，构建中链氧杂桥环成环新途径；深入揭示兰卡杀菌素类（lankacidins）天然产物生物合成中大环环化反应的酶催化机制。这些酶促环合反应的研究，将有助于环状天然产物分子的精准构筑。

随着基因组测序、基因组挖掘技术的不断进展，天然产物的酶促环合反应逐渐被发现，但是其中许多的大环化酶学机制问题没有得到解决或者仅仅停留在推测阶段，急需进一步验证并深入研究催化机制。本项目围绕“自然界还存在哪些特殊的手性成环新机制？”和“新机制的阐明如何帮助解决挑战性的手性成环问题？”这两个关键科学问题展开了深入研究，系统阐释了多功能周环反应酶LepI和首个Alder-ene反应的PdxI的分子机制。这两种酶与SAM依赖的OMT家族都具有序列同源性，但它们对SAM的依赖性不同、催化的反应类型不同、立体选择性也不同。项目团队综合复合物晶体结构以及对过渡态复合物结构的计算和生化实验结果，从结构决定功能的角度仔细分析了三者的异同，为人工设计和调控周环反应酶的催化活性与立体选择性奠定了良好基础。项目团队还通过内部合作，发现多功能酶BcmB催化连续的脱氢、环氧化以及环化反应来构建双环霉素的氧杂八元桥环，其关键残基Q120和Y311通过非共价保护的机制使得化学上易于发生的五元环化反应逆转为较难发生的八元环化反应。这一特殊机制的揭示不仅拓展了我们对天然酶是如何精准构筑多手性中链氧杂桥环的认识，同时也为设计高效的酶催化剂应用于含中链氧杂桥环结构的活性分子合成提供了重要参考。项目团队借鉴生源合成假说，创造性地设计仿生的分子内Mannich大环环合反应为关键步骤，以最长线性8~12步即高效完成了lankacidin 家族系列分子以及chejuenolides A-C的全合成，并纠正了若干天然产物结构鉴定的错误。研究成果在Nature Chemistry和Nature等期刊发表论文10篇，并获得2021年RSC Horizon Prize: Bioorganic Chemistry Award。这些酶促环合反应的研究，将有助于环状天然产物分子的精准构筑。