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南京大學科研團隊研究成果登上Nature雜志

2019年03月14日 10:32:48 | 來源:X一MOL資訊

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  2019年3月13日,南京大學科研團隊再登Nature雜志。該校戈惠明、譚仁祥和梁勇研究團隊首次鑒定出能夠催化[6+4]環加成反應的一類酶家族,相關成果“Enzyme-catalysed [6+4] cycloadditions in the biosynthesis of natural products”在線發表在Nature雜志上。

  (南京大學助理研究員張博博士、以及博士研究生王凱標、王文和汪欣為該論文共同第一作者。戈惠明、譚仁祥、梁勇以及加州大學洛杉磯分校的Kendall N. Houk教授為共同通訊作者。)

  周環反應是一類在反應過程中形成環狀過渡態的協同反應,比如著名的[4+2]環加成反應(Diels-Alder反應)、Cope-重排反應、Claisen-重排反應等,這些反應在有機合成中有著廣泛的應用。有意思的是,在自然界中也觀察到了可催化這些著名周環反應的酶。早在1965年,Woodward和Hoffmann兩位諾貝爾化學獎獲得者就預測了[6+4]或其它高階環加成反應可以發生,隨后在有機合成中確實觀察到了[6+4]反應,但自然界中是否存在著可催化[6+4]反應的酶仍然是個謎。

  該團隊在前期工作中,從海洋放線菌中發現了一個具有抗幽門螺旋桿菌活性的新穎大環內酯化合物命名為streptoseomycin,根據其結構推斷,它在微生物體內的合成過程中可能涉及[4+2]環加成反應。

  為鑒定此過程,他們比較分析了streptoseomycin以及其結構類似物nargenicin的生物合成基因簇,推測一個未知功能的同源蛋白StmD、NgnD很有可能分別負責streptoseomycin和nargenicin中的環化反應。然而,敲除stmD基因并未得到預料中的環化產物前體3,而得到了線性化合物4和5,這很可能是化合物3環內雙鍵較多,張力較大,自發水解開環所致。研究人員設計了一個在微生物體內驗證StmD功能的實驗,首先敲除了基因簇上大部分基因,僅留下聚酮合成酶基因,此突變株只產生化合物4;當將stmD基因回補回去時,得到了化合物6-8,其中化合物7不穩定,可經Cope重排轉化成6。該結果表明,聚酮合成酶的直接產物是3,若無下游其它酶存在時,3將發生水解開環而生成4;若再引入StmD,則催化發生周環反應,奇怪的是,該酶不僅催化了[4+2]反應,也催化了[6+4]反應。


天然產物生物合成中的環加成。圖片來源:Nature

幸运快乐8  隨后,研究人員設計了兩步串聯的酶反應在體外來驗證周環酶的催化功能。首先,通過聚酮合成酶上的硫酯酶結構域催化鏈狀化合物4-SNAC環化形成3,當同時加入StmD或NgnD時,反應體系中觀察到了化合物6-8的生成,確證StmD或NgnD可同時催化[4+2]和[6+4]反應。此外研究人員以StmD為探針從公共基因組數據庫中,挖掘鑒定出了另外三個可催化此反應的酶。

  為了更好地理解[6+4]、[4+2]環加成反應和[3,3]-Cope重排反應之間的相互關系,研究人員通過密度泛函理論(DFT)計算了反應的熱力學和動力學。有趣的是,底物3越過單一過渡態后可歧化成兩個方向,分別生成[6+4]、[4+2]反應產物,由于[6+4]化合物在熱力學上更穩定,[4+2]產物可再經Cope重排自發轉化成[6+4]產物。此理論計算結果與實驗觀察結果相吻合,進一步證明了之前的推斷。


反應熱力學和動力學的DFT計算。圖片來源:Nature

  最后,研究者獲得了StmD、NgnD和101015D三個蛋白的晶體來進一步研究該反應的催化機理。通過分子對接、計算機模擬和點突變實驗,闡明了此類新型環加成酶的反應機制。M69中富含電子的硫原子會特定的指向過渡態中部分帶正電的雙烯部分,從而產生有利的靜電作用;同時反應物中部分帶負電的三烯酯會與W67上的芳香環產生π–π堆疊相互作用,來穩定過渡態并加速整個反應的進行。此外,Y55和Y13也會通過分子間氫鍵和CH–π相互作用來催化反應。


酶和催化活性位點的結構分析。圖片來源:Nature

  綜上所述,研究人員巧妙設計實驗,通過體內敲除基因、體外酶催化反應、量子化學計算、分子動力學模擬以及蛋白晶體的研究等,表征了首例可催化[6+4]/[4+2]環加成反應的酶。這類酶的發現將進一步拓展人們對周環反應酶的認識,啟發科學家們將來利用和改造周環反應酶來實現有價值的分子轉化。

  (來源:X一MOL資訊)

  

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