由于独特的结构和生物活性多样性，天然小分子在药物研发中具有不可或缺的价值。天然小分子主要来源于植物、微生物等资源，因此传统的天然药物开发往往面临原材料的匮乏以及单体化合物纯化困难等诸多问题。现代基因组测序技术以及合成生物学的快速发展为解决此类问题提供了新的可能性。一方面现代测序技术极大地增加了天然小分子生物合成元件的挖掘速率，另一方面合成生物学则为天然小分子在细胞工厂中的异源生物合成奠定了基础。这二者结合也催生了"组合生物合成"这一方法，通过组合不同物种来源的生物合成酶，在同一宿主细胞中表达，从而创造原物种中不存在的化合物。此技术可以快速扩展天然小分子的结构多样性，因此在药物开发中潜力巨大。尽管如此，当应用于药物开发时，此技术仍然面临产物数量多、单体化合物纯化以及生物活性筛选困难等问题。为解决此类问题，近日丹麦哥本哈根大学Sotirios Kampranis/赵勇团队，在Angewandte Chemie International Edition在线发表了题为“Structure-Agnostic Bioactivity-Driven Combinatorial Biosynthesis Reveals
New Antidiabetic and Anticancer Triterpenoids” 的研究论文。本研究开发了一种生物活性驱动的组合生物合成策略（Structure-Agnostic Bioactivity-Driven Combinatorial
Biosynthesis），靶向的合成和筛选具有目标生物活性的化学结构。具体来说，此方法在多轮组合生物合成过程中，通过对所建立的细胞工厂粗提物进行药理活性盲筛，选择性控制组合生物合成的进行方向，从而靶向的创造具有目标生物活性的分子。为保证整个工作流程的有效性，研究团队同时整合代谢工程技术提高目标分子在细胞工厂中的产量，并引入高分辨生物活性色谱分析方法快速锁定活性粗提物中潜在的活性分子。![]()
图1 生物活性驱动的组合生物合成（Structure-Agnostic Bioactivity-Driven Combinatorial Biosynthesis）工作流程。
为验证此方法的可行性，研究团队选取了植物中广泛分布的三萜类化合物作为目标分子。鉴于此类分子广泛的生物学活性，人们对其生物合成已开展了较为深入的研究，发现了多种与其结构骨架以及后期结构修饰相关的生物合成元件。由于三萜类分子结构骨架多具有保守性，参与其后期结构修饰的生物合成酶（例如细胞色素P450氧化酶）多具有较为宽泛的底物杂泛性，这为组合生物合成的顺利进行提供了基础。前期多项研究表明三萜类化合物具有明显的蛋白酪氨酸磷酸酶1B （PTP1B）抑制活性，因此在抗糖尿病和抗癌药物的开发中具有重要的价值。研究团队因此选择PTP1B抑制活性作为目标药理活性筛选靶点。基于此，研究团队选取了来自雷公藤等植物中的4种三萜类骨架合成酶以及13种P450氧化酶在酿酒酵母中进行多轮组合生物合成。在每一轮组合生物合成过程中中，PTP1B抑制活性最强的菌株被选取为母体菌株进行下一轮组合生物合成。与此同时，团队通过在酵母细胞中过表达萜类前体合成（MVA）通路上的6个基因（ERG10, ERG13, tHMG1, HMG2K6R,ERG8, and ERG12）以及三萜合成通路上的三个基因（ERG20, ERG9, and ERG1）极大地提高了目标三萜类化合物的产量。经过三轮组合生物合成以及生物活性筛选，研究团队最终从超过一千种可能的组合中，选取了5种活性最高的组合进行代谢以及高分辨生物活性色谱分析，初步锁定了其中的活性代谢产物。![]()
图2 菌株粗提物高分辨生物活性色谱分析以及活性化合物结构鉴定。
最终，研究团队从获得的五株菌株提取物中分离鉴定了20个三萜类化合物，其中包括四个新化合物以及一个结构新颖的三萜邻氨基苯甲酸杂合体（化合物21）。体外实验证明化合物21的生物合成涉及一个非酶催化的亚胺离子形成以及亲电加成过程。为验证分离得到的单体化合物生物活性，研究团队也对每个化合物的IC50进行了测定并揭示此类分子的初步构效关系。此外，鉴于化合物21的结构特异性以及较高的生物活性，团队也通过docking对其生物活性可能的分子机制进行了解释。![]()
图3 三萜类化合物生物合成途径分析以及PTP1B抑制药理活性筛选。 综上，本研究整合合成生物学、药物化学、生物分析化学研究思路，综合利用组合生物合成、代谢过程、生物活性筛选、高分辨活性色谱等技术，在酿酒酵母中实现了经典三萜类化合物结构多样性重塑与衍生，并靶向挖掘其中具有药理活性的结构，为新药研究提供了源头分子。此方法也适用于其他类型的活性天然产物，因此在未来的药物研发过程中也具有重要的意义。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202416218丹麦哥本哈根大学植物与环境学院赵勇助理教授为论文第一作者。赵博士拟于2024年11月加入厦门大学生命科学学院担任教授、博士生导师，主要从事植物来源高附加值天然产物挖掘，生物分析化学以及合成生物学研究。研究成果以第一或通讯作者（含共同）发表于Nature Chemistry, Nature Chemical Biology,
JACS, Angewandte Chemie International Edition, Analytical Chemistry等杂志。目前课题组正在积极建设中，热忱欢迎相关领域志同道合的青年科学家加盟！具体招聘信息以及联系方式请参考https://life.xmu.edu.cn/info/1070/15371.htm。感谢哥本哈根大学Sotirios Kampranis/赵勇团队对本公众号的大力支持！我们诚邀在这里分享您的研究成果。请联系：王子龙，博士，副研究员，北京大学药学院，wangzilong@hsc.pku.edu.cn在此佳节之际，祝愿伟大的祖国母亲75岁生日快乐，也祝愿伟大的祖国更加繁荣富强。药用植物及植物药专业委员会
