近期，上海有機化學(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）。該研究工作報道了罕見的酶催化的α-酮基硫酯脫羰基反應(yīng)，實現(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)，直接對碳骨架進行碳原子消除和插入的編輯方式比較罕見，這種編輯方式極具挑戰(zhàn)性。盡管有機化學(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)物的裝配線上實現(xiàn)碳原子消除的酶則未見報道。上海有機所劉文課題組長期從事聚酮、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制、環(huán)化機制、糖苷單元形成機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）?；谇捌谠谘b配線化學(xué)研究中的經(jīng)驗積累，劉文課題組對巴巴酰胺（barbamide）裝配線上通過C1單元脫除的碳骨架編輯機制展開了研究。
首先，通過體外重構(gòu)巴巴酰胺裝配線上一碳單元的脫除反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)僅需要兩個裝配線蛋白BarE和BarF就能實現(xiàn)C1單元的脫除，不需要反式酶的參與。進一步通過裝配線上中間體的檢測，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，通過親核進攻α-酮基來實現(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)果上實現(xiàn)凈一碳單元的延伸。對脫除的C1單元進行捕獲時，發(fā)現(xiàn)不是以常見的甲酸和二氧化碳的形式離去，而是以酶催化反應(yīng)中并不常見的CO形式離去。進一步和薛小松研究員課題組合作，結(jié)合理論計算、同源建模和保守殘基點突變等實驗，推測該KS功能域通過保守的極性殘基對硫酯進行活化來促進脫羰基反應(yīng)，實現(xiàn)巴巴酰胺裝配線上碳骨架的編輯。最后，通過對催化脫羰基反應(yīng)的裝配線蛋白進行序列關(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裝配線化學(xué)的認識，拓展了經(jīng)典延伸功能域KS的功能，將促進利用合成生物學(xué)策略、定向設(shè)計、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算方面提供的大力支持，感謝上海有機所公共技術(shù)服務(wù)中心王昊陽老師在分析方面提供的大力支持。該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委相關(guān)基金的大力資助。
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