近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室、廣東省海洋藥物重點實驗室科研人員在海洋鏈霉菌來源吲哚生物堿類和多環內酰胺類活性次級代謝產物的生物合成機制解析方面取得新進展，相關成果分別以“Genome mining reveals a carboxyl O-methyltransferase gatekeeping the biosynthetic divergence of tryptophan dimers”和“Deciphering the biosynthetic logic for C14 oxidative modifications of polycyclic tetramate macrolactams”為題發表在化學領域權威期刊Organic Letter（有機化學通訊）和Chinese Journal of Chemistry（中國化學），并均被選為封面文章。
海洋微生物在適應高鹽、高壓、黑暗、低溫（或局部高溫)、寡營養等嚴酷的生存環境壓力下，進化出了與之相適應的生理生化特征或特殊的代謝途徑，因此可產生化學結構復雜或生物活性獨特的次級代謝產物，對這些產物的生物合成機制進行深入研究可為其結構改造和綠色生物制造提供重要理論依據。
細菌來源色氨酸二聚體(TDs)是一類具有顯著生物活性的天然產物，其中midostaurin (商品名Rydapt?)已被FDA批準用于治療白血病。研究團隊前期從深海來源鏈霉菌Streptomyces marincola SCSIO 03032中發現了3類具有細胞毒活性的TDs (包括SPMs、LNMs和IDMs)，克隆鑒定了參與TDs的生物合成基因簇(spm)，證實spm為非典型基因簇，即在基因簇外存在游離的生物合成基因。近期，研究團隊成功從菌株SCSIO 03032基因組中鑒定了一個游離在spm基因簇外的甲基轉移酶SpmM1，從其突變株中分離獲得了5個新穎的色氨酸二聚體IDMs，通過生化表征確定SpmM1負責催化LNMs中吡咯環側鏈羧基的氧甲基化，進一步結合喂養實驗證實SpmM1通過甲基化反應控制SPMs和IDMs生物合成途徑的分化，且羧甲基為SPMs形成的特異識別位點。以上結果為鑒定其它游離在基因簇外的后修飾酶提供了研究思路。副研究員馬亮和博士劉智文為本文共同第一作者，研究員張長生為通訊作者。
圖1?色氨酸二聚體生物合成途徑中游離甲基轉移酶SpmM1的功能研究
多環內酰胺類天然產物（PoTeMs）具有復雜的化學結構和良好的生物活性，是藥物先導化合物和生物農藥的重要資源。PoTeMs的化學合成步驟多、收率低，但生物合成卻非常簡潔和保守，可通過途徑改造實現不同類型PoTeMs的綠色定制生產。遺憾的是，目前仍缺少高效、干凈的底盤宿主應用于PoTeMs基因簇的異源表達，且尚不清楚數量最多的5/5型和5/5/6型PoTeMs結構中C14位氧化修飾差異的生物合成機制。研究團隊通過大片段敲除改造海洋鏈霉菌Streptomyces sp. ZJ306，構建了專屬生產PoTeMs多烯前體的干凈底盤細胞306A，為實現PoTeMs生物合成基因“即插即用”和藥源PoTeMs的結構多樣化奠定了基礎。團隊進一步通過在底盤細胞306A中的組合生物合成比較研究表征了南海來源放線菌Streptomyces falvogriseus SCSIO 40032中沉默PoTeMs基因簇fla的生物合成途徑，通過喂養和同位素標記實驗證實黃素環化酶FlaB1在催化C6–C13環化的同時引入羥化和環氧化修飾，體外實驗進一步確定P450酶FlaD及其同源酶FtdF、SSHG_05717負責將5/5/6型PoTeMs中的C14位羥基轉化為酮基，同時催化后續的C12位羥化。基于以上結論，本研究成功揭示了5/5型和5/5/6型PoTeMs中C14位迭代氧化修飾的生物合成邏輯。2022級博士研究生蔣鵬為本文第一作者，研究員張長生與副研究員張麗萍為共同通訊作者。
圖2?PoTeMs異源表達底盤細胞306A構建及C14位迭代氧化機制解析
以上工作得到了國家重點研發計劃“合成生物學”重點專項、國家自然科學基金委重大項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目等資助。
論文信息：1、Liang Ma,# Zhiwen Liu,# Wenjun Zhang,Yiguang Zhu,Liping Zhang,Weiliang Xiong,Xiao-Nian Li,Xinpeng Tian,Changsheng Zhang.* Genome mining reveals a carboxyl O-methyltransferase gatekeeping the biosynthetic divergence of tryptophan dimers. Organic Letters,2025,27 (23):5936-5941.?
2、Peng Jiang,Hongbo Jin,Wenjun Zhang,Wei Tang,Xiaodong Jiang,Yiguang Zhu,Ying Wang,Liping Zhang,* and Changsheng Zhang.* Deciphering the biosynthetic logic for C14 oxidative modifications of polycyclic tetramate macrolactams. Chinese Journal of Chemistry,2025,43 (5):483-490. ?
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.orglett.5c01012
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