近日，PNAS（《美國科學(xué)院院報》）在線發(fā)表了武漢大學(xué)藥學(xué)院劉天罡教授課題組與美國田納西大學(xué)陳峰教授課題組關(guān)于真菌嵌合萜類合酶的合作研究成果。論文題目為“Systematic mining of fungal chimeric terpene synthases using an efficient precursor-providing yeast chassis”（《利用高效萜類前體供給的釀酒酵母底盤系統(tǒng)挖掘真菌嵌合萜類合酶》）。
武漢大學(xué)藥學(xué)院博士研究生陳蓉為第一作者，劉天罡、藥學(xué)院特聘副研究員卞光凱和陳峰為共同通訊作者，武漢大學(xué)為第一作者單位。
萜類化合物是廣泛存在于自然界中、數(shù)量最龐大的一類天然產(chǎn)物家族，至今已超過10萬種結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，其中就包含有著名分子青蒿素和紫杉醇等。萜類合酶在萜類化合物生物合成中發(fā)揮了分子成環(huán)等重要功能，是萜類化合物碳骨架合成的關(guān)鍵。其中，I型嵌合萜類合酶是存在于真菌體內(nèi)一類稀有的萜類合酶，由異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（prenyltransferase，PT）結(jié)構(gòu)域和I型萜類合成酶(terpene synthase，TS)結(jié)構(gòu)域組成（簡稱為PTTS）。隨著基因組測序技術(shù)的發(fā)展，幾百個PTTS浮出水面，然而至今僅有大約20個PTTS的功能被驗證。有限的數(shù)據(jù)使得我們難以對這一類稀有萜類合酶的起源、功能進化等進行深入且全面的探索。
34個新PTTSs的系統(tǒng)發(fā)育分析以及產(chǎn)物結(jié)果
劉天罡和陳峰課題組從476種基因組測序絲狀真菌以及NCBI和UniProt數(shù)據(jù)庫中篩選出了227個PTTS基因。陳峰通過生物信息學(xué)手段對PTTS基因的起源和功能進化進行了探索，發(fā)現(xiàn)這類酶起源于雙核菌亞界，廣泛分布于子囊菌門各個系中，而在擔子菌門中僅分布在一個種中。為了解析這類稀有萜類合酶家族的功能，劉天罡課題組利用其開發(fā)的高效萜類前體供給的釀酒酵母為底盤并結(jié)合高通量自動化平臺，有效地實現(xiàn)了PTTS底物的高效供給并且大大增加了PTTS挖掘的通量，為更深層次地探究PTTS的功能提供了強有力的保障。最終，該團隊成功地鑒定了34個新的PTTS的功能，該研究中鑒定的PTTS的總數(shù)超過了目前所有已知的PTTS的一倍。另外，從34個酵母工程菌株中鑒定了24個二萜和二倍半萜結(jié)構(gòu)，并借助計算化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的方式確定了兩個結(jié)構(gòu)新穎的二倍半萜的絕對構(gòu)型。
該策略不僅為萜類化合物的挖掘提供了一個強大和高效的方法，并且將天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)從原來在自然界尋找發(fā)展為從網(wǎng)上挖掘信息并自動化實現(xiàn)，標志著萜類天然產(chǎn)物挖掘進入一個新的階段。這也是該課題組提出的“基于代謝工程平臺的萜類化合物挖掘新策略”連續(xù)在Metabolic Engineering（《代謝工程》）、Current Opinion in Biotechnology（《生物技術(shù)新觀點》）、Angewandte Chemie International Edition（《德國應(yīng)用化學(xué)》）、Journal of American ChemicalSociety（《美國化學(xué)學(xué)報》）、NatureCommunications（《自然·通訊》）等國際著名期刊發(fā)表萜類產(chǎn)物挖掘新方法及產(chǎn)物合成機制以來，再次在該領(lǐng)域取得的最新突破。
該研究工作得到合成生物學(xué)國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)進步計劃和中央高?；究蒲薪?jīng)費的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2023247118
