小分子组装和组合生物合成.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实验室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的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物功能，或并非是微生物生长生长和和繁殖繁殖所必需的物所必需的物质，如质，如抗生素抗生素、毒素毒素、激素激素、色素色素等。不同种等。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，他类的微生物所产生的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。们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。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；复杂天然产物生物合成的分子基础复杂天然产物的生物合成是从简单的小分子前提到终产物形成的多步骤反应。有特定的蛋白酶催化分子水平的研究和基因组计划给复杂天然产物的合成带来福音：参与复杂天然产物生物合成的基因，通常特征性的成簇分布与微生物染色体的某一区域。克隆基因簇的方法以抗性基因为探针；反向遗传学；突变株互补；以同源基因为探针酶学水平上的生物合成天然产物是药物的主要来源。天然产物是药物的主要来源。天然产物结构上的多样性是生物活性多样天然产物结构上的多样性是生物活性多样化的基础。化的基础。由由PKS和和NRPS催化合成的催化合成的聚酮聚酮和聚肽类化和聚肽类化合物是天然产物中非常有特色的一类。合物是天然产物中非常有特色的一类。（青霉素，（青霉素，红霉素，埃博霉素）红霉素，埃博霉素）聚酮类化合物的生物合成机制聚酮类化合物的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催化合成催化合成的一类天然产物。的一类天然产物。以红霉素为例的组合生物合成：红以红霉素为例的组合生物合成：红 霉霉 素素 的大环的大环内醋环即内醋环即6一脱氧红霉内醋一脱氧红霉内醋(6-deoxyerythronolide B,6-dEB)的生物合成是由的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丙酸和甲基丙二酸在复合酶系一多酮合成酶（PKS）的催化作用下，经缩合、酮还原、脱水）的催化作用下，经缩合、酮还原、脱水和烯还原等多轮循环完成的。丙酸和甲基丙二酸和烯还原等多轮循环完成的。丙酸和甲基丙二酸均由初级代谢产物分解而来，因均由初级代谢产物分解而来，因PKS具有脱梭酶具有脱梭酶的活性，甲基丙二酸脱竣也能产生丙酸。的活性，甲基丙二酸脱竣也能产生丙酸。1986年Stanzak发现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 kb的DNA，并根据ORF(open read frame)和已知序列相比确定了其上的28个活性位点，最终提出了聚酮生物合成的模型.PKS由3条肽链组成，每个都含有两套结构和功能相近的酶域(domain)，每套酶域称为一个模块(module)，每个模块催化完成一轮碳链的延伸和还原，每个模块都有3个基本酶域。除了6个模块外，在pEBS1的N端有一个由AT和ACP组成的负载酶域(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的经基端有一个硫醋酶酶域(thioesterase,TE)，负责将合成的长链脂肪酸从PKS上水解下来，并与PKS的其它部位共同作用将产物环化成6-dEB.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.组合生物合成(combinatorialbi osynthesis)对自然产物的生物合成路径中编码酶的基因应用基因操作，重新设计抗生素的结构，实现新的结构和功能的组合，使其产生新的活性，进而获得新的产物。前景前景应应 用组用组 合合 生物合成可以改变抗生素原有的生物合成可以改变抗生素原有的生物合成过程，使其结构多样化，而这一生物合成过程，使其结构多样化，而这一点通过化学方法是很难甚至是无法达到的。点通过化学方法是很难甚至是无法达到的。因此，这方面的进一步研究将有助于理解因此，这方面的进一步研究将有助于理解医学上的一些重要二级代谢产物的结构和医学上的一些重要二级代谢产物的结构和功能的关系。相信，随着这一研究方法的功能的关系。相信，随着这一研究方法的不断发展，人们将能够合成更多抗酸且对不断发展，人们将能够合成更多抗酸且对耐药性致病菌具有活性的新的红霉素类物耐药性致病菌具有活性的新的红霉素类物质，从而使更安全、更有效的药物不断出质，从而使更安全、更有效的药物不断出现。现。