北理工在控制P450單加氧酶結(jié)構(gòu)特異性合成稀有甘草三萜取得新進展
發(fā)布日期：2020-03-31 供稿：化學與化工學院
編輯：李亞鑫 審核：張加濤 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學化學與化工學院生化工程系/合成生物系統(tǒng)研究所李春教授課題組以來源于植物的P450單加氧酶CYP72A63為研究對象，利用同源建模和分子對接等技術，確定了決定其催化特性的關鍵氨基酸殘基，并利用釀酒酵母對突變體功能進行了驗證，實現(xiàn)了四種稀有甘草三萜化合物的特異性合成，為實現(xiàn)植物天然產(chǎn)物的微生物特異性合成提供了新思路和新方法。該研究成果以 《Controlling Chemo- and Regio-selectivity of a Plant P450 in Yeast Cell toward Rare Licorice Triterpenoid Biosynthesis》為題發(fā)表在催化類頂級國際期刊《ACS Catalysis》（《美國化學會－催化》，IF="12.221）上。本文的共同通訊作者為化學與化工學院的李春教授、王穎預聘副教授和于洋預聘副教授，第一作者為北京理工大學化學與化工學院博士生孫文濤。
中藥方劑中的十方九草中的“草”指的就是傳統(tǒng)中藥甘草，又稱國老，具有清熱解毒之功效又用以調(diào)和諸藥。其中，甘草三萜是甘草的主要活性成分，如甘草酸及其衍生物等具有抗病毒、抗腫瘤、抗炎癥等多種生理活性同時又不抑制人體免疫系統(tǒng)，是肝臟炎癥治療中的抗炎癥藥物代表。當前，在湖北抗擊新冠肺炎治療中使用的甘草酸二胺組合維生素C發(fā)揮了積極作用。李春教授課題組前期開創(chuàng)性地利用微生物合成植物甘草中主要三萜類化合物的系列研究（單葡萄醛酸基甘草次酸Chem Eng Sci 2014；β-香樹脂醇AIChE Journal 2015；角鯊烯Chem Eng Sci 2016A和2016B；α-香樹脂醇ACS Synthetic Biology 2018；甘草次酸Metabolic Engineering 2018；催化關鍵酶J Biological Chem 2018和J Physical Chem Lett 2018；甘草次酸衍生物J Agric Food Chem 2019和Critical Rev in Biotechnol 2019；甘草稀有三萜ACS Catalysis 2020），有望解決目前挖根提酸、破壞植被與生態(tài)的不可持續(xù)的獲取方式（研究過程見下圖）。然而，甘草中還存在一些含量極低、具有重要生理功能的稀有三萜化合物包括甘草次醇、甘草次醛以及甘草次醇的同分異構(gòu)體等。它們除了具有重要的生理活性外，這些稀有三萜分子骨架上的羥基、醛基等功能基團的存在為對其進一步修飾，從而獲得結(jié)構(gòu)更加多樣、功能更加豐富的新型衍生物提供了可能。但這些稀有三萜在甘草根中含量極低以及復雜的分子結(jié)構(gòu)，導致這類化合物難以直接提取或化學合成制備。
本文利用甘草中合成甘草次酸的P450單加氧酶CYP72A63基于同源建模與分子對接等技術進行輔助理性設計，重塑其活性口袋以控制對于不同中間產(chǎn)物的契合度。通過提高甘草次醇的契合度實現(xiàn)了甘草次酸特異性合成，通過降低甘草次醇的契合度防止了其進一步氧化實現(xiàn)了甘草次醇的特異性合成。通過控制C-29和C-30相對于血紅素鐵的相對位置，實現(xiàn)了對底物C-29的特異性氧化，進一步通過CPR的匹配優(yōu)化首次實現(xiàn)了甘草次醛類中間產(chǎn)物的特異性合成。同時利用釀酒酵母的體內(nèi)驗證方式解決了突變體體外試驗難以進行的問題。
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