上海有機(jī)所D-A反應(yīng)的生物催化機(jī)制研究取得重大突破
狄爾斯（Diels）－阿爾德(Alder)反應(yīng)（簡(jiǎn)稱D-A反應(yīng)）是合成化學(xué)中最重要的反應(yīng)類型之一。合成化學(xué)中的D-A反應(yīng)屢見不鮮，而自然界中是否存在能夠催化D-A反應(yīng)的酶，多年來(lái)一直是生物學(xué)家和化學(xué)家爭(zhēng)論和懸而未決的焦點(diǎn)科學(xué)問題。中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉文領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)12年的努力，在螺環(huán)乙酰乙酸內(nèi)酯/內(nèi)酰胺抗感染抗生素的生物合成中發(fā)現(xiàn)了兩種不同的酶，可以極大地促進(jìn)[4+2]D-A環(huán)化反應(yīng)的發(fā)生。該發(fā)現(xiàn)為證實(shí)D-A反應(yīng)酶的天然存在提供了有力的證據(jù)。相關(guān)成果已于3月3日在線發(fā)表于《自然-化學(xué)生物學(xué)》雜志上。
D-A反應(yīng)由德國(guó)化學(xué)家狄爾斯和他的學(xué)生阿爾德在1928年首次發(fā)現(xiàn)。它通過共軛雙烯與取代烯烴直接反應(yīng)，簡(jiǎn)捷、高效地構(gòu)筑六圓環(huán)分子骨架，并且具有高度的化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性，因此被廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物、藥物、材料分子的合成，師生二人也因此獲得了1950年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。因該類反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)而觸發(fā)的理論研究，也導(dǎo)致了上世紀(jì)60年代在化學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的“分子軌道對(duì)稱守恒原理”和“前線分子軌道理論”的誕生，美國(guó)化學(xué)家霍夫曼和日本化學(xué)家福井謙一因此獲得了1981年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
作為一種碳碳鍵構(gòu)建極為有效的手段，科學(xué)家們?cè)缫杨A(yù)言D-A反應(yīng)可能參與了具有環(huán)己烯單元的大量天然產(chǎn)物的生物合成，并且通過人為進(jìn)化的手段創(chuàng)造了能夠催化簡(jiǎn)單D-A反應(yīng)的抗體酶或核酶。但是，目前自然界中發(fā)現(xiàn)的能夠促進(jìn)[4+2]D-A環(huán)化反應(yīng)的天然酶蛋白僅有5例；而它們?cè)诖祟愞D(zhuǎn)化中是否存在催化功能的爭(zhēng)論依舊，原因是這些酶或者具有多種功能，或者催化效率很低，或者相應(yīng)的反應(yīng)根本不需酶就可以自發(fā)進(jìn)行，使得相關(guān)的機(jī)制研究尤為困難，導(dǎo)致數(shù)十年來(lái)人們無(wú)法確切地判斷D-A反應(yīng)酶到底是否天然存在。
劉文團(tuán)隊(duì)最近的發(fā)現(xiàn)為回答這一科學(xué)難題創(chuàng)造了有利的契機(jī)。在螺環(huán)乙酰乙酸內(nèi)酯/內(nèi)酰胺抗感染抗生素的生物合成中，兩種不同的[4+2]D-A環(huán)化酶以催化串聯(lián)反應(yīng)的方式，將具有兩套共軛雙烯與親雙烯體單元的線性中間體有效地轉(zhuǎn)化為單一對(duì)映體的剛性五環(huán)骨架。與之前的例證不同，在沒有相應(yīng)的酶蛋白存在下，上述具有高度區(qū)域和立體選擇性的[4+2]環(huán)加成反應(yīng)無(wú)法自發(fā)發(fā)生，同時(shí)所依賴的酶蛋白功能單一、效率高，是非常理想的驗(yàn)證D-A反應(yīng)生物催化機(jī)制的研究對(duì)象。
事實(shí)上，自然界中螺環(huán)乙酰乙酸內(nèi)酯/內(nèi)酰胺抗生素產(chǎn)生于各種來(lái)源的微生物，目前該家族已有數(shù)十個(gè)成員的化學(xué)結(jié)構(gòu)得以確證。這些抗生素具有強(qiáng)烈的抗感染、腫瘤抑制等重要的生物活性，長(zhǎng)期以來(lái)一直是生物學(xué)、藥學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域共同關(guān)注的研究熱點(diǎn)。然而由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，化學(xué)合成或修飾往往面臨產(chǎn)率和效率方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。劉文團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，所有螺環(huán)乙酰乙酸內(nèi)酯/內(nèi)酰胺成員均采用了相似的生物合成策略，即通過酶促的[4+2]環(huán)加成反應(yīng)完成線性中間體的剛性交聯(lián)；兩個(gè)不同酶催化的環(huán)化反應(yīng)可以偶聯(lián)也可以去偶聯(lián)，從而解釋了自然界中如何創(chuàng)造核心骨架相似、但整體結(jié)構(gòu)不同的抗生素分子?？梢灶A(yù)期，以兩個(gè)酶催化的串聯(lián)[4+2]環(huán)加成反應(yīng)為中心的合成策略如能有效運(yùn)用，將極大地促進(jìn)以多樣性為導(dǎo)向的生物和化學(xué)合成手段的發(fā)展，通過建立相應(yīng)天然產(chǎn)物的類似物分子庫(kù)，以應(yīng)對(duì)藥物化學(xué)研究中對(duì)于分子結(jié)構(gòu)多樣性的要求和化學(xué)生物學(xué)研究中對(duì)于特異性分子探針的制備需求。
該研究得到國(guó)家基金委和科技部的支持，也是上海有機(jī)所“三個(gè)重大”突破項(xiàng)目之一。
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