
近期,上海有機(jī)化學(xué)研究所劉文研究員和薛小松研究員課題組合作,在“Journal of the American Chemical Society”上發(fā)表了一篇題為“Enzymatic α-Ketothioester Decarbonylation Occurs in the Assembly Line of Barbamide for Skeleton Editing”的研究成果(DOI:10.1021/jacs.2c10277)。該研究工作報(bào)道了罕見(jiàn)的酶催化的α-酮基硫酯脫羰基反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了聚酮、聚肽類天然產(chǎn)物裝配線上特殊的骨架編輯。
骨架編輯是自然界創(chuàng)造活性天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣性的重要方法,相較于目前發(fā)現(xiàn)較多的成環(huán)反應(yīng),直接對(duì)碳骨架進(jìn)行碳原子消除和插入的編輯方式比較罕見(jiàn),這種編輯方式極具挑戰(zhàn)性。盡管有機(jī)化學(xué)家發(fā)展了多種碳原子消除和插入的編輯方法,但是酶催化的例子卻不多,而能夠在聚酮、聚肽及其雜合型天然產(chǎn)物的裝配線上實(shí)現(xiàn)碳原子消除的酶則未見(jiàn)報(bào)道。上海有機(jī)所劉文課題組長(zhǎng)期從事聚酮、聚肽類天然產(chǎn)物相關(guān)的裝配線化學(xué)的研究,建立了高效、可靠的裝配線化學(xué)研究方法,并深入揭示裝配線上特殊的修飾蛋白招募機(jī)制、環(huán)化機(jī)制、糖苷單元形成機(jī)制等新穎的裝配線化學(xué)(J. Am. Chem. Soc.?2012,?134, 9038–9041;Nat. Prod. Rep.?2016,?33, 162-173;?Nature Communications?2021,?12, 3124;J. Am. Chem. Soc.?2022,?144,?14945-14956)。基于前期在裝配線化學(xué)研究中的經(jīng)驗(yàn)積累,劉文課題組對(duì)巴巴酰胺(barbamide)裝配線上通過(guò)C1單元脫除的碳骨架編輯機(jī)制展開(kāi)了研究。
首先,通過(guò)體外重構(gòu)巴巴酰胺裝配線上一碳單元的脫除反應(yīng),發(fā)現(xiàn)僅需要兩個(gè)裝配線蛋白BarE和BarF就能實(shí)現(xiàn)C1單元的脫除,不需要反式酶的參與。進(jìn)一步通過(guò)裝配線上中間體的檢測(cè),證明酮基合成酶功能域KS是催化C1單元脫除的關(guān)鍵催化功能域,通過(guò)親核進(jìn)攻α-酮基來(lái)實(shí)現(xiàn)硫酯碳的脫除,后續(xù)再發(fā)生經(jīng)典的克萊森縮合反應(yīng),結(jié)果上實(shí)現(xiàn)凈一碳單元的延伸。對(duì)脫除的C1單元進(jìn)行捕獲時(shí),發(fā)現(xiàn)不是以常見(jiàn)的甲酸和二氧化碳的形式離去,而是以酶催化反應(yīng)中并不常見(jiàn)的CO形式離去。進(jìn)一步和薛小松研究員課題組合作,結(jié)合理論計(jì)算、同源建模和保守殘基點(diǎn)突變等實(shí)驗(yàn),推測(cè)該KS功能域通過(guò)保守的極性殘基對(duì)硫酯進(jìn)行活化來(lái)促進(jìn)脫羰基反應(yīng),實(shí)現(xiàn)巴巴酰胺裝配線上碳骨架的編輯。最后,通過(guò)對(duì)催化脫羰基反應(yīng)的裝配線蛋白進(jìn)行序列關(guān)聯(lián)性分析,發(fā)現(xiàn)KS功能域催化的α-酮基硫酯脫羰基反應(yīng)具有一定的普適性,推測(cè)已知含有C1單元脫除的分子cryptophycins、microsclerodemin M、microcrystin LR和nodularin可能也采用相似的機(jī)制脫除CO以完成分子骨架的編輯。
? 該研究證明了裝配線上KS功能域通過(guò)非金屬依賴的方式催化非張力脂肪酸底物α-酮基硫酯的脫羰基反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了聚酮、聚肽類天然產(chǎn)物裝配線上骨架碳原子的編輯。該研究加深了我們對(duì)裝配線化學(xué)的認(rèn)識(shí),拓展了經(jīng)典延伸功能域KS的功能,將促進(jìn)利用合成生物學(xué)策略、定向設(shè)計(jì)、合成和改造聚酮、聚肽及其雜合化合物。此外,該新穎的非金屬依賴的α-酮基硫酯底物脫羰反應(yīng)為開(kāi)發(fā)仿生化學(xué)合成方法提供了參考。
論文的第一作者是劉文課題組博士研究生咼生杰,通訊作者是劉文研究員和湯志軍博士。感謝薛小松研究員、鄭超副研究員在理論計(jì)算方面提供的大力支持,感謝上海有機(jī)所公共技術(shù)服務(wù)中心王昊陽(yáng)老師在分析方面提供的大力支持。該工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委相關(guān)基金的大力資助。

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