Nat Chem Biol：Michael K. Jensen/张杰团队等实现酵母中天然和卤化单萜吲哚生物碱的生物合成

2023年11月6日，丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心高级研究员Michael K. Jensen博士和张杰博士合作在Nature Chemical Biology期刊上发表了一篇题为“Biosynthesis of natural and halogenated plant monoterpene indole alkaloids in yeast”的新研究。

这项工作展示了两种具有生物活性的单萜吲哚生物碱（MIA）蛇根碱（serpentine）和阿司通碱（alstonine）从头生物合成，并为进一步构建基于微生物发酵的天然和非天然MIA生物制造奠定了基础。Michael K. Jensen博士和张杰博士为论文共同通讯作者。

单萜吲哚生物碱（MIA）是一类重要的植物次生代谢产物，具有多种药用特性，包括抗疟药物奎宁（quinine）、长春碱（vinblastine）和长春新碱（vincristine）等化疗药物、抗心律失常药物阿马林（ajmaline）。另外，尽管没有获得FDA的许可，仍有一些具有生物活性的MIA被用于治疗人类疾病，包括用于治疗慢性疼痛的帽柱木碱（mitragynine）、用于治疗阿片类药物使用障碍（药物成瘾）的伊博加因（ibogaine），以及用于治疗包括精神分裂症和双相情感障碍的蛇根碱（serpentine）和阿司通碱（alstonine）。由于从植物中天然提取的产量很低，以及经常会遇到供应链不稳定的问题，以商业规模生产这些药用的MIA非常具有挑战性，而全化学合成则因缺乏立体结构特异性以及分离立体异构体的困难而受到阻碍。此外，尽管越来越多的证据表明存在具有药效更好的MIA类似物，通过全化学合成的方法用来做药物发现仍然非常困难。

微生物细胞工厂旨在在酿酒酵母中表达植物源基因，从而能够使用可再生和易于采购的原料大规模发酵生产高附加值的植物天然产物，是生产天然MIA及其衍生物的新兴解决方案。此前，Jay D. Keasling教授和Michael K. Jensen博士领导的研究小组通过合成生物学技术已成功建立了MIAs生物合成的微生物平台，并验证了利用工程酵母菌株生产抗癌药物长春碱（vinblastine）的可行性（Zhang et al. 2022 Nature）。在当前的研究中，作者进一步证明了可以通过简单修改该微生物平台，从而实现在酿酒酵母中从头生物合成两种新的MIA：蛇根碱（serpentine）和阿司通碱（alstonine）。除了从可再生原料发酵生产MIA之外，作者还进一步利用该平台来系统地探索生产卤化MIA的生物催化潜力。卤素，如氟和氯，在药物发现和开发中非常重要，因为它们不仅可以改变药物在体内吸收和运输的方式，而且可以提高药物的代谢稳定性，从而增强其药理性质。通过在发酵过程中添加卤代吲哚前体，该平台可合成出总共19种不同的非天然卤代蛇根碱（haloserpentine）和卤代阿司通碱（haloalstonine）类似物。此外，通过优化微生物MIA平台中细菌卤化酶和还原酶的异源表达，作者还实现了从葡萄糖和无机盐（如氯化钠）进行从头生物合成氯化阿司通碱（chloroalstonine）。

图2：蛇根碱（serpentine）和阿司通碱（alstonine）的生物合成途径。

这项工作展示了两种具有生物活性的MIA蛇根碱（serpentine）和阿司通碱（alstonine）从头生物合成，并为进一步构建基于微生物发酵的天然和非天然MIA生物制造奠定了基础。植物中天然产生超过3,000种不同的MIA，并且有多种植物来源用于临床药物的MIA有未知的合成途径。由此作者进一步指出，该微生物合成平台还可以用来帮助发现新的MIA生物合成途径。目前，大多数合成途径解析工作依赖于体外候选酶表征，需要通过蛋白质纯化和体外活性验证。相比较而言，将候选植物基因表达在具有MIA前体供应（例如异胡豆苷苷元strictosidine aglycone）的工程化酵母细胞中，结合自动化高通量筛选，可以实现更高效的生物合成途径发现。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41589-023-01430-2

转自：“小柯化学”微信公众号

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