在生命科学与化学交叉的前沿领域，对于天然产物生物合成机制的探索始终是一个热门且极具挑战的课题。芳香族聚酮类天然产物以其独特的结构和广泛的生物活性，如抗菌、抗肿瘤、抗病毒等，在医药、农业等领域展现出巨大的应用潜力。然而，这类化合物的基本芳香框架种类相对有限，极大地限制了其结构和功能的多样性。因此，发现能够构建新颖芳香框架的新型芳构化酶 / 环化酶（ARO/CYCs），成为了拓展芳香族聚酮类天然产物多样性的关键所在。
上海交通大学生命科学技术学院和张江高等研究院瞿旭东团队与罗树坤团队在这一领域取得了重要突破，他们对立体选择性脱羧芳构化酶 / 环化酶（FasU）指导轴向手性联苯框架生物合成的研究成果发表于 JACS，为我们深入理解这类天然产物的合成机制以及开发新型化合物提供了新的视角。
一、研究背景
芳香聚酮类天然产物由 II 型聚酮合成酶（PKSs）和芳构化酶 / 环化酶（ARO/CYCs）协同作用合成。尽管 II 型 PKSs 在合成聚酮链方面具有一定的多样性，但由于 ARO/CYCs 种类的局限性，导致最终形成的基本芳香骨架类型相对单一。这一现状在很大程度上限制了芳香聚酮类天然产物的结构和功能多样性，也使得发现新的 ARO/CYCs 成为了该领域的研究热点和关键挑战。
Fasamycin（FAS）作为一种备受关注的芳香聚酮类天然产物，因其对耐药菌展现出高效的抗菌活性而受到广泛研究。其独特的轴向手性联苯框架赋予了它特殊的生物活性，然而，这种轴手性联苯骨架（E 环）的形成机制一直以来都不明确。虽然其前体 3,5 - 二羟基苯甲酸（PDA）核心的形成机制已部分被阐明，但 E 环的合成路径依然是一个谜团。这不仅阻碍了我们对 FAS 生物合成全貌的理解，也限制了基于其结构进行新型抗菌药物开发的进程。因此，揭示 FAS 中 E 环的形成机制，特别是确定参与其中的关键酶及其作用方式，具有重要的科学意义和实际应用价值。
I 型芳香聚酮的基本芳香骨架。FAS具有显著区别于其他类型的轴手性骨架
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
二、研究过程
（一）底物的确定与验证
研究团队首先面临的挑战是确定参与 FAS 生物合成的关键底物。通过一系列精心设计的体内外实验，他们发现 PDA 并非是 FasS、FasR、FasU 环化的直接底物。基于对生物合成途径的深入分析和合理推测，研究人员大胆假设含羧基的中间体 1 可能是关键底物。为了验证这一假设，团队通过组合其他已知酶，在体外成功合成了中间体 1。在这一过程中，研究人员对反应条件进行了细致的优化，以提高中间体 1 的产率。通过高效液相色谱（HPLC）、质谱（MS）以及核磁共振（NMR）等多种先进的分析技术，他们对中间体 1 的结构进行了全面而准确的确证，为后续的研究奠定了坚实的基础。
FAS的生物合成基因簇及生物合成途径。(A) FAS 生物合成基因簇。(B) FAS 生物合成途径及其衍生物。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（二）FasU 的功能验证与立体选择性研究
确定了底物之后，研究团队进一步探究 FasU 在 FAS 生物合成中的作用。实验结果表明，FasU 能够将中间体 1 高效地转化为 FAS，从而明确了中间体 1 是 FasU 的底物。更为重要的是，研究发现 FasU 具有独特的 S 立体选择性，即它能够以高度立体专一性的方式催化反应，生成具有特定立体构型的 FAS。为了进一步验证这一结果，研究团队进行了体内实验，在实际的生物体内环境中证实了 FasU 的 S 立体选择性，这一发现为理解 FAS 生物合成的立体化学控制机制提供了关键线索。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（三）FasU 晶体结构解析与作用机制研究
为了深入揭示 FasU 的催化机制，研究团队对 FasU 进行了晶体结构解析。通过 X 射线晶体学技术，他们成功获得了 FasU 的高分辨率晶体结构。基于这一结构，研究人员利用分子动力学模拟技术，深入研究了 FasU 与底物 1 的结合模式。通过模拟，他们确定了 FasU 的活性位点以及底物在活性位点内的精确结合方式。在此基础上，研究团队进行了诱变研究，通过定点突变关键氨基酸残基，进一步证实了 T63 和 D61 在 FasU 催化过程中的关键作用。这些研究结果不仅揭示了 FasU 催化脱羧芳构化和环化反应的分子机制，也为通过蛋白质工程改造 FasU 以实现更高效的生物催化提供了理论基础。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
三、研究创新点
（一）聚焦新型酶 FasU，拓展 ARO/CYC 研究范畴
本研究首次聚焦于 FasU 这一新型的芳构化酶 / 环化酶，通过多维度的研究手段，全面揭示了其在 FAS 生物合成中的关键作用。以往对于芳香聚酮类天然产物合成酶的研究主要集中在少数已知的 ARO/CYCs 上，而 FasU 的发现为这一领域注入了新的活力，拓展了 ARO/CYC 的研究范畴，为后续发现更多新型的生物合成酶提供了宝贵的经验和思路。
（二）揭示立体选择性来源，突破手性生物合成难题
FasU 的 S 立体选择性是本研究的一大亮点。通过深入研究，团队成功揭示了这种立体选择性的来源，为解决手性生物合成领域的难题提供了重要的理论依据。在以往的生物合成研究中，立体选择性的控制机制往往难以阐明，而本研究通过对 FasU 的研究，为理解其他手性生物合成过程提供了可借鉴的模式，有望推动手性生物合成领域的进一步发展。
四、科学意义与应用前景
本研究突破了传统对于 II 型芳香聚酮骨架 ARO/CYC 种类的认知局限，为新型 ARO/CYC 的研究提供了重要的范例。通过揭示 FasU 的作用机制，我们对芳香聚酮类天然产物的生物合成过程有了更深入、更全面的理解。这不仅丰富了生物合成理论，也为进一步探索其他复杂天然产物的合成机制提供了新的思路和方法。
Fasamycin 对耐药菌具有强效的抗菌活性，而本研究对 FasU 的发现和机制解析，为利用生物催化技术合成新型抗生素提供了有力的工具。通过对 FasU 的深入研究，我们可以进一步优化其催化性能，实现对 FAS 及其类似物的高效合成。这将有助于开发新型的抗菌药物，为应对日益严峻的耐药菌问题提供新的解决方案。同时，本研究的成果也为其他手性芳香聚酮类化合物的生物合成提供了理论基础，有望推动相关领域在医药、农业等方面的应用研究。
本研究中所采用的多技术联用的研究策略，也为生物催化领域的技术发展提供了有益的借鉴。通过整合不同领域的技术手段，我们可以更加深入地研究生物催化剂的结构与功能关系，从而为生物催化技术的优化和创新提供有力支持。这将有助于推动生物催化技术在更广泛的领域得到应用，实现绿色、高效的化学合成。
综上所述，上海交通大学瞿旭东团队与罗树坤团队关于 FasU 指导轴向手性联苯框架生物合成的研究成果具有重要的科学意义和广泛的应用前景。这一研究不仅揭示了 FAS 生物合成的神秘面纱，也为芳香聚酮类天然产物的研究和开发开辟了新的道路。相信在未来，随着对 FasU 及其他相关酶的深入研究，我们将能够开发出更多具有独特结构和生物活性的化合物，为人类健康和社会发展做出更大的贡献。
五、文献信息
文献标题：A Stereoselective Decarboxylative Aromatase/Cyclase Directs the Biosynthesis of an Axially Chiral Biphenyl Framework in Fasamycin
作者：Kai Jiang, Cheng Zhu, Xiaoli Yan, Guangjun Li, Zhi Lin, Zixin Deng, Shukun Luo, Xudong Qu
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c18376
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c18376
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