叶敏/乔雪团队建立植物苯乙醇苷的多酶一锅法组合生物合成策略

2024年4月15日，我室叶敏/乔雪研究团队在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Construct Phenylethanoid Glycosides Harnessing Biosynthetic Networks, Protein Engineering and One-Pot Multienzyme Cascades”的研究论文。该研究利用多酶一锅法级联反应体系实现了多种植物苯乙醇苷的组合生物合成。

来自植物的天然产物具有骨架特异、后修饰多样的特征，为其发挥各类活性提供了化学空间。在植物中，结构多样性由生物合成酶在骨架上连接不同的砌块而形成。苯乙醇苷是重要的药源分子，也是典型的“砌块组装”式天然产物，具有丰富的结构多样性，组合生物合成成为解决其来源问题的理想方法。但是，苯乙醇苷的生物合成途径尚未完全阐明。

图1 典型苯乙醇苷结构，含有4-6个不同砌块

该研究以富含苯乙醇苷的中药连翘和大叶紫珠为材料，挖掘苯乙醇苷的生物合成关键酶，包括4个功能新颖的苯乙醇苷6’-O-糖基转移酶和3个底物谱广泛的多酚氧化酶。揭示了这类成分可能的生物合成复杂网络途径，与此前报道的线性途径不同。

图2 苯乙醇苷生物合成网络途径

通过序列比对和晶体结构分析，发现#144位点是影响糖基转移酶供体选择性的共性氨基酸残基，基于此位点实现了系列苯乙醇苷糖基转移酶FsGT61、CmGT3、FsGT6的糖供体选择性改造，获得了一系列高效专一的催化元件。

将获得的酶和突变体应用于苯乙醇苷的合成，建立多酶一锅法级联反应体系。通过投入不同酶和砌块，可实现26个苯乙醇苷的组合合成，转化率为5-100%，理论产率1.0-63.3 μg/mL。还可生成20种微量苯乙醇苷。此外，通过活性筛选，发现糖基化和羟基化明显提升苯乙醇苷的保肝活性。该研究体现了组合合成对重现和创造天然产物结构多样性的潜力，为苯乙醇苷类化合物的生物制造和药理活性深入研究奠定了良好基础。

图3 通过多酶一锅法级联反应体系生成多种苯乙醇苷

北京大学药学院2018级本硕连读生姚明菊、2020级硕博连读生王昊天为论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金项目、安捷伦ACT-UR项目的资助，并得到了天然药物及仿生药物全国重点实验室仪器平台贾红丽老师、尹富玲老师（X-射线晶体衍射测试）、李勤老师、刘芬老师（核磁共振测试）等的大力支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202402546

【乔雪研究员简介】

乔雪，北京大学药学院研究员，博雅青年学者，博士生导师。2012年毕业于北京大学药学院，获博士学位，后留校任教，2016-2018年在英国John Innes Centre做访问学者。主要研究领域为中药药效成分及其生物合成，对黄芪皂苷生物合成途径开展了系列研究。在PNAS、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed等期刊发表SCI论文90余篇，获批专利10余项。入选国家基金委优青、北京市杰青、中国科协青年人才托举工程等人才计划。

【叶敏教授简介】

叶敏，北京大学药学院教授，博士生导师。入选国家自然科学基金委杰出青年基金、优秀青年基金、教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星等人才计划。主要研究领域为中药药效物质、天然产物生物合成与生物催化，关注甘草等常用中药及其活性成分的研究。发表高水平论文200余篇，被引用5000余次，获批专利10项。目前担任J. Ethnopharmacol.、J. Pharm. Biomed. Anal.等杂志的副主编或编委，兼任国家药典委员。