小分子组装和组合生物合成市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

小分子组装和组合生物合成小分子组装和组合生物合成张志超精细化工国家重点试验室第1页次级代谢产物次级代谢产物是指次级代谢产物是指微生物微生物生长到一定阶段才产生长到一定阶段才产生化学结构十分复杂、对该生物无显著生理功生化学结构十分复杂、对该生物无显著生理功效，或并非是微生物效，或并非是微生物生长生长和和繁殖繁殖所必需物质，所必需物质，如如抗生素抗生素、毒素毒素、激素激素、色素色素等。不一样种类等。不一样种类微生物所产生次级代谢产物不相同，他们可能微生物所产生次级代谢产物不相同，他们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。积累在细胞内，也可能排到外环境中。第2页从青霉素开始1928年，Alexander Fleming!Obstacles on the way of antibiotics:大部分次级代谢产物结构复杂依靠微生物发酵；第3页复杂天然产物生物合成分子基础复杂天然产物生物合成是从简单小分子前提到终产物形成多步骤反应。有特定蛋白酶催化分子水平研究和基因组计划给复杂天然产物合成带来福音：参加复杂天然产物生物合成基因，通常特征性成簇分布与微生物染色体某一区域。第4页克隆基因簇方法以抗性基因为探针；反向遗传学；突变株互补；以同源基因为探针第5页酶学水平上生物合成天然产物是药品主要起源。天然产物是药品主要起源。天然产物结构上多样性是生物活性多样化天然产物结构上多样性是生物活性多样化基础。基础。由由PKS和和NRPS催化合成催化合成聚酮聚酮和聚肽类化合和聚肽类化合物是天然产物中非常有特色一类。物是天然产物中非常有特色一类。（青霉素，（青霉素，红霉素，埃博霉素）红霉素，埃博霉素）第6页第7页聚酮类化合物生物合成机制聚酮类化合物生物合成机制以小分子羧酸为前体，由聚酮合酶以小分子羧酸为前体，由聚酮合酶pks催化合成催化合成一类天然产物。一类天然产物。以红霉素为例组合生物合成：红以红霉素为例组合生物合成：红 霉霉 素素 大环内醋大环内醋环即环即6一脱氧红霉内醋一脱氧红霉内醋(6-deoxyerythronolide B,6-dEB)生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在复合酶生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在复合酶系一多酮合成酶（系一多酮合成酶（PKS）催化作用下，经缩合、）催化作用下，经缩合、酮还原、脱水和烯还原等多轮循环完成。丙酸和酮还原、脱水和烯还原等多轮循环完成。丙酸和甲基丙二酸均由初级代谢产物分解而来，因甲基丙二酸均由初级代谢产物分解而来，因PKS含有脱梭酶活性，甲基丙二酸脱竣也能产生丙酸。含有脱梭酶活性，甲基丙二酸脱竣也能产生丙酸。第8页1986年Stanzak发觉红霉素合成基因成簇存在于。rm E基因附近,1991年Donadio等克隆了全长35 kbDNA，并依据ORF(open read frame)和已知序列相比确定了其上28个活性位点，最终提出了聚酮生物合成模型.PKS由3条肽链组成，每个都含有两套结构和功效相近酶域(domain)，每套酶域称为一个模块(module)，每个模块催化完成一轮碳链延伸和还原，每个模块都有3个基本酶域。除了6个模块外，在pEBS1N端有一个由AT和ACP组成负载酶域(loadingd omain,LD)A TL和ACPL，它们负责选择和结合起始单元第一个小分子竣酸;在DEBS3经基端有一个硫醋酶酶域(thioesterase,TE)，负责将合成长链脂肪酸从PKS上水解下来，并与PKS其它部位共同作用将产物环化成6-dEB.第9页第10页第11页第12页第13页The formation of a beta-keto ester from two esters,one of which has an alpha-hydrogen atom;malate synthase,citrate synthase,and ATP citrate lyase all catalyze such reactions.第14页第15页第16页第17页第18页组合生物合成(combinatorialbi osynthesis)对自然产物生物合成路径中编码酶基因应用基因操作，重新设计抗生素结构，实现新结构和功效组合，使其产生新活性，进而取得新产物。第19页第20页第21页前景前景应应 用组用组 合合 生物合成能够改变抗生素原有生生物合成能够改变抗生素原有生物合成过程，使其结构多样化，而这一点物合成过程，使其结构多样化，而这一点经过化学方法是极难甚至是无法到达。所经过化学方法是极难甚至是无法到达。所以，这方面深入研究将有利于了解医学上以，这方面深入研究将有利于了解医学上一些主要二级代谢产物结构和功效关系。一些主要二级代谢产物结构和功效关系。相信，伴随这一研究方法不停发展，人们相信，伴随这一研究方法不停发展，人们将能够合成更多抗酸且对耐药性致病菌含将能够合成更多抗酸且对耐药性致病菌含有活性新红霉素类物质，从而使更安全、有活性新红霉素类物质，从而使更安全、更有效药品不停出现。更有效药品不停出现。第22页