10月24日，Nature Communications 在线发表了武汉大学药学院邓子新院士团队瞿旭东教授课题组与昆士兰大学和北京理工大学研究组的合作论文。研究成员成功解析了一种C3-芳香型吡咯并吲哚生物碱Naseseazine C的生物合成机制，并通过构建全细胞催化体系实现了复杂多样吡咯并吲哚生物碱骨架的快速高效制备。
吡咯并吲哚生物碱是在药物化学、天然产物化学和有机化学领域都备受关注的一大类天然产物，其中C3位含有芳香类取代基的化学结构类型和生物活性最为广泛。然而，由于分子结构中存在C3季碳和C2叔碳两种相邻的手性中心，化学合成极具难度，使得构建和拓展该类分子骨架十分困难，因此大大制约了对这类化合物药学和生物学功能的研究和利用。
图1. 部分天然C3-芳香型吡咯并吲哚生物碱结构
酶催化反应的高效率、高选择性通常是化学反应难以企及的，因此利用酶促反应合成吡咯并吲哚有可能打破此类分子骨架的合成瓶颈。但由于该类结构的特殊性及酶反应的高度专一性，按照传统方法，从酶库中随机筛选获得能够用于该分子骨架合成的酶无异于大海捞针。因此，通过解析这类天然产物的生物合成机制，从中寻找催化合成该类分子骨架的酶，在此基础上利用酶催化反应快速高效地构建和拓展该类分子骨架是一种更为高效且环保的方法。
在该研究中，研究人员通过研究海洋链霉菌来源的C3-芳香型吡咯并吲哚生物碱，成功解析了Naseseazine C的生物合成机制。研究发现，Naseseazine C的生物合成异常简洁高效，仅需要一种环化酶（CDPS）催化两分子的氨基酸聚合形成环二肽和一种P450酶（NascB）催化两分子的环二肽二聚，即可完成吡咯并吲哚骨架的构建。同时，研究人员通过连续波电子顺磁共振实验（CW-EPR）和密度泛函理论（DFT）计算提出NascB酶的一种极为新颖的可能催化机制，包括自由基引发、异构化、分子内的Mannich反应以及分子间的自由基加成消除反应。
图2. NascB 可能的催化机制
随后，该团队应用这种高效的酶以及菠菜来源的ferrodoxin/ferrodoxin reductase建立了全细胞催化体系，并且对化学合成的29种环二肽（20种天然含色氨酸的环二肽、6种卤素取代的环二肽、3种D,L-环二肽）进行催化，分别得到30种化学结构多样性的C3-芳香型吡咯并吲哚类化合物NASs（C3-C6’/2S-3R、C3-C6’/2R-3S、C3-C7’/2S-3R、C3-C7’/2R-3S），极大拓展了该类化合物的骨架多样性。
图3. 催化合成的30种C3-芳香型吡咯并吲哚化合物
生物活性测试发现，大部分化合物具有神经保护作用，其中4种化合物的保护作用比临床药物尼莫地平（nimodipine）更强。该研究利用化学手段拓展了环二肽的结构多样性，再利用酶催化快速高效地构建吡咯并吲哚生物碱骨架，对该类生物碱家族的进一步研究和开发具有重要意义。
瞿旭东课题组的硕士研究生田文雅和博士生孙成海为共同第一作者，瞿旭东教授和昆士兰大学贾新颖博士为共同通讯作者，北京理工大学的陈世稆教授和武汉大学的朱冬青副教授等参与了该研究。该工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。
该论文作者为：Wenya Tian, Chenghai Sun, Mei Zheng, Jeffrey R. Harmer, Mingjia Yu, Yanan Zhang, Haidong Peng, Dongqing Zhu, Zixin Deng, Shi-Lu Chen, Mehdi Mobli, Xinying Jia, Xudong Qu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Efficient biosynthesis of heterodimeric C3-arylpyrroloindoline alkaloids
Nat. Commun., 2018, 9, 4428, DOI: 10.1038/s41467-018-06528-z
导师介绍
瞿旭东
http://www.x-mol.com/university/faculty/49560
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