上海有機(jī)所在復(fù)用組合生物合成技術(shù)建立天然產(chǎn)物類似物庫(kù)方面取得重要進(jìn)展
活性天然產(chǎn)物與其作用的大分子配基在長(zhǎng)期共同進(jìn)化的過程中保持了對(duì)于生命現(xiàn)象的精確控制，因而在藥物發(fā)現(xiàn)與發(fā)展（藥物化學(xué)）和生物有機(jī)化學(xué)基本規(guī)律（化學(xué)生物學(xué)）的研究方面扮演了十分重要的角色。構(gòu)建既有數(shù)量又有質(zhì)量的天然產(chǎn)物類似物庫(kù)是當(dāng)前以多樣性為導(dǎo)向的化學(xué)合成（Diversity-Oriented Synthesis, DOS）領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容之一，其目的是與高通量篩選技術(shù)保持同步，滿足結(jié)構(gòu)多樣性和發(fā)展小分子工具探針兩方面的需求。為此，化學(xué)合成的可行性和有效性往往面臨由于天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性所帶來的一系列挑戰(zhàn)。
最近，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所劉文課題組的閻巖同學(xué)等發(fā)展了一種復(fù)用組合生物合成技術(shù)（Multiplex Combinatorial Biosynthesis, MCB），以抗霉素（Antimycins, ANTs）產(chǎn)生體系為模型，運(yùn)用以多樣性為導(dǎo)向的生物合成（Diversity-Oriented Bio-Synthesis, DOBS）策略構(gòu)建了包含數(shù)百個(gè)成員的雙內(nèi)酯天然產(chǎn)物類似物庫(kù)（Angew. Chem. In. Ed. 2013, 39, 12308-12312），從而極大地?cái)U(kuò)展了分子的多樣性和用途。
以抗霉素產(chǎn)生體系為模型構(gòu)建雙內(nèi)酯天然產(chǎn)物類似物庫(kù)
抗霉素是一類由鏈霉菌所產(chǎn)生，具有強(qiáng)烈抗真菌、抗蟲和抗腫瘤等多種生物活性的聚酮-聚肽雜合類抗生素，也是化學(xué)生物學(xué)研究中經(jīng)常使用的工具藥物。課題組前期的研究表明（Org. Lett. 2012, 14 (16), 4142-4145），一套由非核糖體聚肽合成酶和聚酮合成酶組成的復(fù)合酶系負(fù)責(zé)了9元雙內(nèi)酯骨架的形成?？姑顾氐纳锖铣蛇壿嬀哂衅毡樾裕推渌S多聚酮、聚肽以及聚酮-聚肽雜合天然產(chǎn)物一樣，包含了合成切塊的制備、由非核糖體聚肽合成酶或聚酮合成酶催化的線性聚合和骨架后修飾等三個(gè)階段。研究人員首先在生化層面鑒別了抗霉素生物合成中發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的決定因子，接著在技術(shù)層面綜合運(yùn)用了體內(nèi)突變生物合成、途徑修飾和體外化學(xué)酶催化的生物轉(zhuǎn)化等多種手段，最后在策略層面將組合化學(xué)的思路應(yīng)用于生物合成中起始單元的制備、延伸取代的選擇和骨架后修飾的變化上。通過上述努力，研究人員一共獲得了數(shù)百個(gè)雙內(nèi)酯天然產(chǎn)物類似物。其中，93.6%為新化合物，擁有大量藥學(xué)上重要、化學(xué)上活潑或自然界中不存在的各種功能基團(tuán)。
該天然產(chǎn)物類似物庫(kù)具有很高的質(zhì)量。生物活性測(cè)試表明，隨機(jī)選取的34個(gè)成熟分子與標(biāo)準(zhǔn)天然組分ANT-3b相比，約64.7%的細(xì)胞毒性獲得提高，約20.6%的抗真菌活性得以增強(qiáng)；尤其是通過三個(gè)位點(diǎn)取代基團(tuán)的不同組合，分子的細(xì)胞毒性/抗真菌活性比率可以達(dá)到8個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，因而為有針對(duì)性地發(fā)展不同用途、具有高度選擇性的藥物提供了依據(jù)。此外，體內(nèi)的細(xì)胞標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí)，包括天然不存在的炔基等基團(tuán)的引入增強(qiáng)了分子的反應(yīng)性，從而為工具小分子的制備提供了反應(yīng)位點(diǎn)。
組合化學(xué)的思路應(yīng)用于生物合成雙內(nèi)酯天然產(chǎn)物類似物
為了定性和定量的方便，研究人員在遺傳改造的生物合成系統(tǒng)中合成了比較復(fù)雜的雙內(nèi)酯結(jié)構(gòu)骨架，而在體外進(jìn)行最后的C8-位酰基取代反應(yīng)以完成分子的成熟。這一策略的優(yōu)勢(shì)是成熟反應(yīng)可以在96孔板中進(jìn)行，便于定量并快速用于活性測(cè)試。篩選獲得的活性分子再通過放大反應(yīng)可以大量制備，以滿足后續(xù)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、活性驗(yàn)證或其它測(cè)試的需求。
與化學(xué)合成相比，生物合成在復(fù)雜分子制備方面的優(yōu)勢(shì)早已為人所知；然而，采用生物合成的方法構(gòu)建天然產(chǎn)物類似物庫(kù)卻并不普遍。其主要原因在于，當(dāng)前對(duì)于具有高度兼容性的生物合成體系的理解、發(fā)展和運(yùn)用等方面還存在諸多限制。復(fù)用組合生物合成技術(shù)和以多樣性為導(dǎo)向的生物合成策略的成功運(yùn)用，核心在于將組合化學(xué)的理念運(yùn)用于生物合成的各個(gè)階段。隨著對(duì)于生物合成機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深入和包括蛋白與途徑工程改造技術(shù)的不斷成熟，研究人員有理由相信，該技術(shù)與策略的運(yùn)用將對(duì)構(gòu)建針對(duì)其它具有相似生物合成邏輯的聚酮、聚肽以及聚酮-聚肽雜合天然產(chǎn)物的類似物庫(kù)提供有效幫助。
上述研究與日本東京大學(xué)藥學(xué)院阿部郁朗教授的課題組合作開展，成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、中科院、上海有機(jī)化學(xué)研究所“一三五”戰(zhàn)略規(guī)劃和生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力資助。
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