第4章-利用生物合成原理寻找微生物新药

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1、第四章第四章 微生物药物的生物合成微生物药物的生物合成微生物新药的发现微生物新药的发现 根据微生物药物的生物合成原理根据微生物药物的生物合成原理发现微生物新药的方法和途径发现微生物新药的方法和途径n通过非基因定向改变、基因定向改变，以通过非基因定向改变、基因定向改变，以及组合生物催化的技术，或是改变原有微及组合生物催化的技术，或是改变原有微生物药物的生物合成途径，或是对原有的生物药物的生物合成途径，或是对原有的微生物药物（或先导化合物和中间体）进微生物药物（或先导化合物和中间体）进行生物催化，以发现微生物新药行生物催化，以发现微生物新药 . .产生菌产生菌前体物质前体物质(1) (1) 诱变处

2、理诱变处理化学化学修饰修饰天然产物天然产物衍生物衍生物天然产物天然产物天然中间物天然中间物天然产物天然产物衍生物衍生物 化学修饰化学修饰 生物转化与生物转化与 组合生物转化组合生物转化 阻阻断断或或非非阻阻断菌株断菌株定向与杂交定向与杂交生物合成生物合成微生物或微生物或酶转化酶转化天然产物天然产物类似物类似物 杂合杂合 工程菌工程菌突变生物突变生物合成合成组合生物合成组合生物合成(2) (2) 基因操作基因操作天然产物天然产物类似物类似物(1)(2)天然产物天然产物类似物类似物微生物药物生物合成微生物药物生物合成与微生物新药发现的基本途径与微生物新药发现的基本途径 n通过非基因定向改变的方法包

3、括：定向生通过非基因定向改变的方法包括：定向生物合成、杂交生物合成、突变生物合成，物合成、杂交生物合成、突变生物合成，以及生物转化与组合生物转化；以及生物转化与组合生物转化；n基因定向改变，即为组合生物合成。基因定向改变，即为组合生物合成。 第一节第一节生物合成途径的非基因定向改变生物合成途径的非基因定向改变与微生物新药的发现与微生物新药的发现一、非遗传操作的定向生物合成一、非遗传操作的定向生物合成与微生物新药的发现与微生物新药的发现n已有的研究表明，在抗生素等次级代谢产物生已有的研究表明，在抗生素等次级代谢产物生物合成中酶底物的特异性足以使结构相关的物合成中酶底物的特异性足以使结构相关的代谢

4、产物在其发酵液中积累；代谢产物在其发酵液中积累；n但由于生物合成酶的底物专一性较低（宽泛性）但由于生物合成酶的底物专一性较低（宽泛性），其野生型菌株或阻断突变株的发酵过程中添，其野生型菌株或阻断突变株的发酵过程中添加一些已知结构类似物作为前体物质，可以产加一些已知结构类似物作为前体物质，可以产生含有与这种已知结构类似的新衍生物；生含有与这种已知结构类似的新衍生物；n这种获得新次级代谢产物的途径，可以被称之这种获得新次级代谢产物的途径，可以被称之为非遗传操作的定向生物合成为非遗传操作的定向生物合成 (directed (directed biosynthesis)biosynthesis)。 前

5、体（前体（precursorprecursor）n即在微生物培养过程中，外源添加的某一即在微生物培养过程中，外源添加的某一化学物质，通过微生物的代谢，能够将其化学物质，通过微生物的代谢，能够将其整体地或部分地整合到某一特定的次级代整体地或部分地整合到某一特定的次级代谢产物的分子中去的化合物，如苯乙酸或谢产物的分子中去的化合物，如苯乙酸或苯乙酰胺及苯氧乙酸等）。苯乙酰胺及苯氧乙酸等）。非遗传操作的定向生物合成非遗传操作的定向生物合成n这种在发酵过程中通过添加某种特定的前体物质，这种在发酵过程中通过添加某种特定的前体物质，使微生物的生物合成朝着将这些前体物质掺入到使微生物的生物合成朝着将这些前体物

6、质掺入到产物分子的某一特定部位而产生过量的含有这种产物分子的某一特定部位而产生过量的含有这种前体的产物的方法，即为非遗传操作的定向生物前体的产物的方法，即为非遗传操作的定向生物合成。合成。n其基本原理是由于参与这些反应的生物合成酶的其基本原理是由于参与这些反应的生物合成酶的底物专一性较差，而能使外源添加的某些前体物底物专一性较差，而能使外源添加的某些前体物质竞争性地掺入到特定产物的分子中去。质竞争性地掺入到特定产物的分子中去。 定向生物合成与微生物新药的发现定向生物合成与微生物新药的发现n次级代谢产物合成酶的特点：次级代谢产物合成酶的特点：是一个由一系列酶参与催化的多酶体系。是一个由一系列酶参

7、与催化的多酶体系。参与催化反应的酶的底物专一性比初级代参与催化反应的酶的底物专一性比初级代谢合成酶要差。谢合成酶要差。应用实例应用实例n应用非遗传操作定向生物合成的方法能够应用非遗传操作定向生物合成的方法能够制备获得许多新的抗生素，其中目前已进制备获得许多新的抗生素，其中目前已进行工业化生产的有：行工业化生产的有：n青霉素青霉素G G和和V V；n培罗霉素；培罗霉素；n四环素和金霉素等。四环素和金霉素等。 青霉素定向生物合成青霉素定向生物合成.序号序号侧侧 链链 R R学学 名名俗俗 名名1 1对羟基苄青霉素对羟基苄青霉素青霉素青霉素X X2 2苄青霉素苄青霉素青霉素青霉素G G3 3戊烯戊烯

8、22青霉素青霉素青霉素青霉素F F4 4戊戊青霉素青霉素青霉素二氢青霉素二氢F F5 5庚庚青霉素青霉素青霉素青霉素K K6 6丙烯巯丙烯巯甲基青霉素甲基青霉素青霉素青霉素O O7 7苯氧甲基青霉素苯氧甲基青霉素青霉素青霉素V V8 84 4氨基氨基4 4羧基羧基丁基青霉素丁基青霉素青霉素青霉素N N青霉素和青霉素和6APA分子结构及各种天然青霉素的结构与名称分子结构及各种天然青霉素的结构与名称青霉素分子的化学结构青霉素分子的化学结构6APA的化学结构的化学结构各种天然青霉素具有的侧链和名称各种天然青霉素具有的侧链和名称培罗霉素定向生物合成培罗霉素定向生物合成.培罗霉素定向生物合成培罗霉素定向

9、生物合成可结合进入可结合进入BLMBLM的末端胺基部分的非天然胺基化合物的末端胺基部分的非天然胺基化合物.* PEP的末端胺基的末端胺基四环类抗生素的定向生物合成四环类抗生素的定向生物合成R5R6R76去甲基四环素HHH(1)7氯6去甲基四环素HHCl(2)四环素HCH3H(3)5羟基四环素（土霉素）OHCH3H(4)7氯四环素（金霉素）HCH3Cl(5)微生物发酵产生的一些四环素类抗生素微生物发酵产生的一些四环素类抗生素四环类抗生素的定向生物合成四环类抗生素的定向生物合成 在生产在生产金霉素金霉素时需添加氯化物作为前体，时需添加氯化物作为前体，而当生产而当生产四环素四环素时，则必须要在发酵培

10、养时，则必须要在发酵培养基中添加氯离子抑制剂，如溴化物或基中添加氯离子抑制剂，如溴化物或M-M-促促进剂等，从而抑制金霉素的合成而得到四进剂等，从而抑制金霉素的合成而得到四环素产物。环素产物。 另外，用金色链霉菌在发酵的金霉素过程另外，用金色链霉菌在发酵的金霉素过程中添加适量的甲基化反应抑制剂如磺胺嘧中添加适量的甲基化反应抑制剂如磺胺嘧啶钠，能够获得啶钠，能够获得去甲基金霉素。去甲基金霉素。 杜拉克丁的定向生物合成杜拉克丁的定向生物合成杜拉克丁的定向生物合成杜拉克丁的定向生物合成组分R1R2XY备注A1aA1bA2aA2bB1aB2bB2aB2bOCH3OCH3OCH3OCH3OHOHOHOH

11、CH=CHCH=CHCH2CH（OH）CH2CH（OH）CH=CHCH=CHCH2CH（OH）CH2CH（OH）25-环己烷基环己烷基-B225-环己烷基环己烷基-B1OHOHCH2CH（OH）CH=CH外源添加环外源添加环己烷羧酸钠己烷羧酸钠非基因改变定向生物合成的研究进展非基因改变定向生物合成的研究进展 尽管近年来基因改变的定向生物合成尽管近年来基因改变的定向生物合成发展很快，但利用非遗传操作定向生物合发展很快，但利用非遗传操作定向生物合成原理寻找新的生理活性物质的研究还在成原理寻找新的生理活性物质的研究还在不少实验室继续进行，特别是对一些肽类不少实验室继续进行，特别是对一些肽类如如环孢菌

12、素环孢菌素A A、aureobasidinsaureobasidins及糖肽类如及糖肽类如替考拉宁产生菌替考拉宁产生菌的定向生物合成研究取得的定向生物合成研究取得了很大的进展。了很大的进展。二、添加外源酶抑制剂的杂交生物合成二、添加外源酶抑制剂的杂交生物合成与微生物新药的发现与微生物新药的发现n 杂交生物全成（杂交生物全成（hybrid biosynthesishybrid biosynthesis）似乎可以）似乎可以理解为是理解为是一种一种“强化强化”的非遗传定向生物合成的非遗传定向生物合成，如，如在苦霉素产生菌生酵过程中添加聚乙酰途径中在苦霉素产生菌生酵过程中添加聚乙酰途径中-酮酮酯酰基合

13、成酶抑制剂酯酰基合成酶抑制剂线兰菌素线兰菌素( (cerulenincerulenin) )，使其，使其失去合成链霉素大环内酯苷元失去合成链霉素大环内酯苷元( (picronolidepicronolide) )的能力的能力而只能合成糖基。同时在发酵过程中添加泰乐菌素而只能合成糖基。同时在发酵过程中添加泰乐菌素大环内酯苷元大环内酯苷元( (protylonolideprotylonolide) )，使其与苦霉素生产，使其与苦霉素生产菌产生的糖基结合，得到一种被称之为菌产生的糖基结合，得到一种被称之为M4365G1M4365G1的杂的杂合抗生素合抗生素(hybrid antibiotic)(hy

14、brid antibiotic)。 杂交生物合成与微生物新药的发现杂交生物合成与微生物新药的发现葡萄糖1CH3COOH6CH3CH2COOH2CH3COOH5CH3CH2COHCH3CH2CH2COOHS.fradia KA427 NO.261ProtylonolidePicronolideDesosaminePicromycin DDesosaminyl Protylonolide（M4365G1） 在浅蓝菌素存在下，用苦味霉素产生菌（在浅蓝菌素存在下，用苦味霉素产生菌（S.sp.AM4900） 与与protylonolide 杂交生物合成杂交生物合成M4365G杂交生物合成产物工业化的可能

15、性杂交生物合成产物工业化的可能性 尽管通过杂交生物合成能够得到尽管通过杂交生物合成能够得到一些新的抗生素，但由于所添加的一些新的抗生素，但由于所添加的浅浅蓝菌素蓝菌素本身就是一种昂贵的抗生素，本身就是一种昂贵的抗生素，再则所添加的再则所添加的苷元的结构苷元的结构受到限制，受到限制，所以这种方法似乎没有很大的实际意所以这种方法似乎没有很大的实际意义。义。 三、非定向诱变的突变生物合成三、非定向诱变的突变生物合成与微生物新药的发现与微生物新药的发现n突变生物合成（突变生物合成（mutational biosynthesismutational biosynthesis）：）：n突变生物合成是指野生

16、型产生菌经化学或物理等突变生物合成是指野生型产生菌经化学或物理等因素诱变处理后，丧失合成原来次级代谢产物的因素诱变处理后，丧失合成原来次级代谢产物的能力而成为阻断突变株，然后在发酵培养阻断突能力而成为阻断突变株，然后在发酵培养阻断突变株时添加某种外源物质，参与生物合成以获得变株时添加某种外源物质，参与生物合成以获得新的次级代谢产物的过程。新的次级代谢产物的过程。n另外，突变生物合成也包括由于突变而引起产生另外，突变生物合成也包括由于突变而引起产生新的次级代谢产物。新的次级代谢产物。突变生物合成原理突变生物合成原理阻断突变株的类型阻断突变株的类型营养缺陷型突变株：营养缺陷型突变株： 由于编码菌体

17、生长之必须的酶的基因发生了突由于编码菌体生长之必须的酶的基因发生了突变，而使菌体不能生长，导致不能合成次级代变，而使菌体不能生长，导致不能合成次级代谢产物。因此，这类突变株也可以称为初级代谢产物。因此，这类突变株也可以称为初级代谢阻断突变株。谢阻断突变株。独需型突变株：独需型突变株： 这种突变株的生长和初级代谢正常，但由于编这种突变株的生长和初级代谢正常，但由于编码次级代谢产物合成的某一基因发生突变，而码次级代谢产物合成的某一基因发生突变，而使丧失了合成次级代谢产物的能力。这是突变使丧失了合成次级代谢产物的能力。这是突变生物合成所需要的突变株。生物合成所需要的突变株。双重阻断突变株：双重阻断突

18、变株： 即突变既发生在编码初级代谢酶的基因上，也即突变既发生在编码初级代谢酶的基因上，也发生在编码次级代谢酶的基因上。发生在编码次级代谢酶的基因上。突变生物合成与微生物新药发现突变生物合成与微生物新药发现.野生型产生菌野生型产生菌独需型突变株独需型突变株AB正常途径正常途径某某抗生素抗生素阻断变株阻断变株A阻断变株阻断变株BAB+BA+ABABA，B为某一抗生素分子结构的两个部分为某一抗生素分子结构的两个部分AB为为发酵液培养时阻断变株的代谢产物发酵液培养时阻断变株的代谢产物BA为为发酵培养时添加的发酵培养时添加的AB的的结构类似物结构类似物ABAB即为即为新的杂合抗生素新的杂合抗生素利用独需

19、型突变株合成产生新抗生素的基本原理利用独需型突变株合成产生新抗生素的基本原理突变生物合成的突变生物合成的基本流程基本流程.出发菌株的选择出发菌株的选择诱变处理诱变处理阻断突变株筛选阻断突变株筛选琼脂块法选择琼脂块法选择有生理活力的突变株有生理活力的突变株无生理活力的突变株无生理活力的突变株摇瓶复筛摇瓶复筛有生理活力的突变株有生理活力的突变株无生理活力的突变株无生理活力的突变株区段合成产物，连接区段合成产物，连接酶等生化特性的研究酶等生化特性的研究有有区区段段合合成成产产物物、无无连连接接酶酶等等活活性性的的突突变变株株有有区区段段产产物物A有有连连接接酶等活性的突变株酶等活性的突变株有有区区段

20、段产产物物B有有连连接接酶等活性的突变株酶等活性的突变株发酵培养发酵培养添加结构类似物添加结构类似物A或或B样品收集样品收集TLC、HPLC检测及制备检测及制备结构检测结构检测突变生物合成产生的新抗生素突变生物合成产生的新抗生素.菌种菌种抗生素抗生素特殊营养特殊营养增补物增补物新新抗生素抗生素伊尼奥小伊尼奥小单孢菌单孢菌西梭霉素西梭霉素DOS链霉胺等链霉胺等突变霉素突变霉素1等等绛红小单孢菌绛红小单孢菌庆大霉素庆大霉素DOS链霉胺等链霉胺等2羟基羟基GM等等红霉素链霉菌红霉素链霉菌红霉素红霉素Erythronolide8，8 deoxyoleanolie未未鉴别鉴别弗氏链霉菌弗氏链霉菌新霉素新

21、霉素DOS链霉胍等链霉胍等杂交霉素杂交霉素A，B加利利链霉菌加利利链霉菌阿克拉霉素阿克拉霉素阿克拉酮阿克拉酮紫红霉酮等紫红霉酮等11羟基阿克拉霉素羟基阿克拉霉素A灰色链霉菌灰色链霉菌链霉素链霉素紫红霉酮等紫红霉酮等2脱氧链霉胍脱氧链霉胍streptomutin A卡那霉素链霉菌卡那霉素链霉菌卡那霉素卡那霉素DOS1N甲基甲基DOS等等1N甲基甲基GM等等雪白链霉菌雪白链霉菌新生霉素新生霉素氨基香豆氨基香豆氨基香豆素同系物氨基香豆素同系物未鉴明未鉴明核糖苷链霉菌核糖苷链霉菌核糖霉素核糖霉素DOS1N甲基甲基DOS等等1N甲基甲基RSMC等等普拉特链霉菌普拉特链霉菌普拉特霉素普拉特霉素Platen

22、olideNarbonolide5Omycaminosyl narbonolide龟裂链霉菌龟裂链霉菌巴龙霉素巴龙霉素DOS链霉胍链霉胍杂交霉素杂交霉素C巴龙链霉菌巴龙链霉菌尼可霉素尼可霉素尿尿嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶尼可霉素尼可霉素Z等等唐德唐德链霉菌链霉菌红霉素生物红霉素生物合成途径合成途径.丙酮丙酮CoA丙酰丙酰SACP甲基丙二酰甲基丙二酰甲基丙二酰甲基丙二酰SACP丙酰丙酰丙酰丙酰SACP聚酮体途径聚酮体途径6脱氧红霉内脂脱氧红霉内脂B红霉内脂红霉内脂BTDPL碳霉糖碳霉糖 葡萄糖葡萄糖TDPD葡萄糖葡萄糖3O碳霉糖基红霉内脂碳霉糖基红霉内脂TDP脱氧氨基己糖脱氧氨基己糖 红霉素红霉素D红霉素

23、红霉素C红霉素红霉素A红霉素红霉素E红霉素红霉素B缩合酶缩合酶突变株产生的突变株产生的新蒽环类抗生素新蒽环类抗生素.RR1R2道若霉素（原株产生）道若霉素（原株产生）OCHOCH3 3COCHCOCH3 3OHOH亚德里亚霉素（变株产生）亚德里亚霉素（变株产生）OCHOCH3 3COCHCOCH2 2OHOHOHOH1313双氢道若霉素（变株产生）双氢道若霉素（变株产生）OCHOCH3 3CHOHCHCHOHCH3 3OHOH1313双氢洋红霉素双氢洋红霉素OHOHCOCHCOCH3 3OHOH1111去氧道若霉素（变株产生）去氧道若霉素（变株产生）OCHOCH3 3COCHCOCH2 2OH

24、OHH H1111去氧亚德里亚霉素（变株产生）去氧亚德里亚霉素（变株产生）OCHOCH3 3CHCH2 2CHCH3 3H HBaumycinABaumycinA* *（原株产生）原株产生）OCHOCH3 3CHCH2 2COCHCOCH3 3OHOHFeudomycinFeudomycin A A（变株产生）变株产生）OCHOCH3 3CHCH2 2CHCH3 3OHOHFeudomycinFeudomycin B BOCHOCH3 3CHCH2 2COCHCOCH3 3OHOH突变株产生的一些新的次级代谢产物突变株产生的一些新的次级代谢产物.原菌种原菌种原原抗生素抗生素突变株产生的新抗生素

25、突变株产生的新抗生素普拉特链霉普拉特链霉菌菌普拉特霉素普拉特霉素demycarosyldemycarosyl普拉特霉素普拉特霉素9 9dehydromycarosyledehydromycarosyle普拉特普拉特霉素霉素波赛链霉菌波赛链霉菌紫产色链霉紫产色链霉菌菌柔红霉素柔红霉素烬灰红菌素烬灰红菌素阿霉素阿霉素烬灰红菌素烬灰红菌素X X波赛链霉菌波赛链霉菌baumycinbaumycinoxaunomycinoxaunomycin棘孢小单孢棘孢小单孢菌菌庆大霉素庆大霉素小诺小诺霉素霉素生金链霉菌生金链霉菌四环素四环素去甲基四环素去甲基四环素生金链霉菌生金链霉菌金霉素金霉素去甲基金霉素去甲基金

26、霉素龟裂链霉菌龟裂链霉菌土霉素土霉素去甲基土霉素去甲基土霉素吸水链霉菌吸水链霉菌carriomycincarriomycincarromycinAcarromycinA我国应用突变生物合成原理找到的小诺霉素我国应用突变生物合成原理找到的小诺霉素.2H2SO4庆大霉素和小诺霉素的化学结构庆大霉素和小诺霉素的化学结构抗生素抗生素R1R2分子式分子式硫酸庆大霉素硫酸庆大霉素C1CH3NHCH3C21H43N5O72H2SO4硫酸庆大霉素硫酸庆大霉素C1aHNH2C19H39N5O72H2SO4硫酸庆大霉素硫酸庆大霉素C2CH3NH2C20H41N5O72H2SO4小诺霉素小诺霉素HNHCH3C20H

27、41N5O72H2SO4四、原生质体融合与微生物新药的发现四、原生质体融合与微生物新药的发现 微生物原生质体融合，即是指将双新株的微生物微生物原生质体融合，即是指将双新株的微生物细胞分别通过酶解脱壁，使之形成原生质体，然细胞分别通过酶解脱壁，使之形成原生质体，然后在高渗溶液的条件下混合，并加入物理的（如后在高渗溶液的条件下混合，并加入物理的（如电融合）或化学的电融合）或化学的( (如聚乙二醇如聚乙二醇) )或生物的（如仙或生物的（如仙台病毒）助融条件，使双亲株的原生质发生相互台病毒）助融条件，使双亲株的原生质发生相互凝集，通过细胞质融合，核融合，尔后发生基因凝集，通过细胞质融合，核融合，尔后发

28、生基因组间的交换，重组，进而可以在适宜的条件下再组间的交换，重组，进而可以在适宜的条件下再生出微生物细胞壁，获得重组子的过程。生出微生物细胞壁，获得重组子的过程。四、原生质体融合与微生物新药的发现四、原生质体融合与微生物新药的发现n利用微生物厚生质融合寻找新抗生素的基利用微生物厚生质融合寻找新抗生素的基本原理是来源于两种已知产生不同抗生素本原理是来源于两种已知产生不同抗生素的产生菌的融合子，有可能将它们的部分的产生菌的融合子，有可能将它们的部分生物合成基因整合在一起而产生新的杂合生物合成基因整合在一起而产生新的杂合抗生素；另一个原理是由于抗生素产生菌抗生素；另一个原理是由于抗生素产生菌中存在着

29、沈默基因，当这些沉默基因受到中存在着沈默基因，当这些沉默基因受到外源物质刺激后，有可能被激活而产生，外源物质刺激后，有可能被激活而产生，结构与亲株完全不同的新的抗生素。结构与亲株完全不同的新的抗生素。 四、原生质体融合与微生物新药的发现四、原生质体融合与微生物新药的发现 应用这种方法获得的第一个新抗生素是吲应用这种方法获得的第一个新抗生素是吲哚佐霉素（哚佐霉素（indloizomycinindloizomycin）：）： 其亲株为链霉素产生菌灰色霉菌和天神霉其亲株为链霉素产生菌灰色霉菌和天神霉素（素（istamycinistamycin）产生菌天神链霉菌）产生菌天神链霉菌S.tenjimari

30、ensisS.tenjimariensis。（目前的报道较少）（目前的报道较少） 第二节第二节生物合成途径的基因定向改变生物合成途径的基因定向改变与微生物新药的发现与微生物新药的发现组合生物合成组合生物合成Combinatorial biosynthesisCombinatorial biosynthesis 是一种通过对天然产物生物合成途径中的基因进行中断、置换及重组等操作，改变原来抗生素产生菌或其他天然产物产生菌生物合成代谢产物的途径，产生具有新颖结构的“非天然的天然杂合产物（unnatural natural hybrid compounds）”的技术或方法。 组合生物合成的潜能组合生物

31、合成的潜能 potentialpotentialn重组、组合、互补、替换重组、组合、互补、替换n R=R=可利用的基因可利用的基因 n=n=基因的等位形基因的等位形式式n化合物数化合物数R Rn nn R=4, n=4 R=4, n=4n Compounds=4 Compounds=44 4=256=256组合生物合成的原理组合生物合成的原理 生物合成酶基因的结构和组成生物合成酶基因的结构和组成 生物合成酶基因的特异性及底物宽容性生物合成酶基因的特异性及底物宽容性 生物合成酶基因之间的相互作用生物合成酶基因之间的相互作用 生物合成途径的研究基础生物合成途径的研究基础一、具有聚酮体生物合成途径的

32、一、具有聚酮体生物合成途径的微生物药物产生菌的组合生物合成微生物药物产生菌的组合生物合成 基于商业性的原因，迄今为止，对一些具有基于商业性的原因，迄今为止，对一些具有聚聚酮体生物合成（酮体生物合成（polyketidepolyketide synthasessynthases，PKSsPKSs）途径的途径的“天然产物天然产物”，如红霉素、阿维，如红霉素、阿维菌素、泰乐菌素、柔红霉素、阿克拉霉素、西菌素、泰乐菌素、柔红霉素、阿克拉霉素、西罗莫司和利福霉素等；罗莫司和利福霉素等； 具具PKSPKS途径的抗生素途径的抗生素药物类别药物类别 化化 合合 物物 大环内酯类抗生素大环内酯类抗生素 红霉素、

33、螺旋霉素、麦迪霉素红霉素、螺旋霉素、麦迪霉素四环类抗生素四环类抗生素 四环素、金霉素、土霉素四环素、金霉素、土霉素抗肿瘤抗生素抗肿瘤抗生素 柔红霉素，阿克拉霉素、柔红霉素，阿克拉霉素、enediynesenediynes 抗寄生虫药抗寄生虫药 avermectinavermectin，nemadectinnemadectin 免疫抑制剂免疫抑制剂 FK506, rapamycin FK506, rapamycin 抗真菌药抗真菌药 两性霉素，制霉菌素两性霉素，制霉菌素心血管药物心血管药物 lovastatin,lovastatin,，compactincompactin兽药兽药莫莫能能星星（m

34、onensinmonensin），泰泰乐乐菌菌素素 ( (tylosintylosin) )，盐霉素，盐霉素1 1、红霉素产生菌的组合生物合成、红霉素产生菌的组合生物合成 通过操作通过操作PKSPKS的模块中的模块中单个基因单个基因的组合生物的组合生物合成；合成； 在在非天然产物产生菌非天然产物产生菌中过量表达组合生物中过量表达组合生物合成产物；合成产物； 通过操作通过操作PKSPKS模块之间连接模块之间连接的组合生物合成的组合生物合成 ； 通过操作通过操作脱氧糖途径基因脱氧糖途径基因的组合生物合成。的组合生物合成。红霉素产生菌的组合生物合成的可能性红霉素产生菌的组合生物合成的可能性n参与红霉

35、素生物合成的参与红霉素生物合成的PKSsPKSs，或，或6 6脱氧红霉内酯脱氧红霉内酯合成酶（合成酶（6-deoxyerythronolide B 6-deoxyerythronolide B synthasesynthase，DEBSDEBS）有）有6 6个模块组成，每个模块负责合成聚酮体个模块组成，每个模块负责合成聚酮体中的一部分。中的一部分。n由于各模块之间的协调性，以及每个模块编码决由于各模块之间的协调性，以及每个模块编码决定延伸单位的选择、功能和立体化学性质的催化定延伸单位的选择、功能和立体化学性质的催化结构域，因此，就有可能通过对结构域，因此，就有可能通过对PKSsPKSs结构域或

36、模结构域或模块的操作获得具有新颖结构的化合物。块的操作获得具有新颖结构的化合物。n由于具有聚酮体结构的化合物其结构非常复杂和由于具有聚酮体结构的化合物其结构非常复杂和具有众多的立体异构体，因而，难以用常规的化具有众多的立体异构体，因而，难以用常规的化学方法来获得。学方法来获得。 红红霉霉素素的的生生物物合合成成途途径径 PKSPKS中的每一个模块的组成中的每一个模块的组成n酮基合成酶（酮基合成酶（ketosynthaseketosynthase，KSKS）n酰基转移酶（酰基转移酶（acylacyl transferasetransferase，ATAT）n酰基载体蛋白（酰基载体蛋白（acyla

37、cyl carrier protein carrier protein，ACPACPn-酮基修饰酶：包括酮基还原酶酮基修饰酶：包括酮基还原酶（ketoreductaseketoreductase，KRKR）、脱氢酶）、脱氢酶（dehydrogenasedehydrogenase，DHDH）和烯酰还原酶）和烯酰还原酶（enoylreductaseenoylreductase，ERER）nDEBSDEBS含有编码三个独立的多肽亚单位的含有编码三个独立的多肽亚单位的6 6个模块个模块n大多数典型的聚酮体合成途径的产物包括对大多数典型的聚酮体合成途径的产物包括对PKSPKS产产物的修饰，如将脱氧糖或氨

38、基糖进行糖苷化以及物的修饰，如将脱氧糖或氨基糖进行糖苷化以及通过细胞色素通过细胞色素P450P450进行氧化。图中所示的进行氧化。图中所示的LDLD为装为装载域（载域（loading domainsloading domains），），TETE为硫酯酶为硫酯酶（esterasesesterases）。）。 1 1）通过操作）通过操作PKSPKS的模块中单个基因的组合生物合成的模块中单个基因的组合生物合成 一是用利福霉素一是用利福霉素PKSPKS模模块块2 2中的中的DH/ER/KRDH/ER/KR结构结构域取代红霉素域取代红霉素PKSPKS模块模块2 2中的中的KRKR；二是将模块二是将模块5

39、 5中的中的KRKR缺缺失；失；三是用利福霉素模块三是用利福霉素模块2 2中的丙二酰特异性中的丙二酰特异性ATAT取代模块取代模块6 6中的甲基中的甲基丙二酰特异性的丙二酰特异性的ATAT），将得到一个发），将得到一个发生三重突变的生三重突变的PKSPKS产物。产物。 2）在非天然产物产生菌中过量）在非天然产物产生菌中过量表达组合生物合成产物表达组合生物合成产物 n将将E.coliE.coli 开发成能够表达开发成能够表达PKSPKS产物需要解产物需要解决的问题主要有三个方面：决的问题主要有三个方面：n一是能够功能性表达巨大的蛋白一是能够功能性表达巨大的蛋白（330kDa330kDa）；）；n

40、二是二是PKSPKS亚单位的亚单位的ACPACP结构域的翻译后磷酸结构域的翻译后磷酸泛酰巯基乙胺酰化；泛酰巯基乙胺酰化；n三是聚酮体途径中的前体物质，特别是三是聚酮体途径中的前体物质，特别是（2S2S）甲基丙二酰）甲基丙二酰CoACoA在在E.coliE.coli中不存中不存在。在。 PfeiferPfeifer等的工作包括：等的工作包括：n运用来源于枯草芽孢杆菌非核糖体多肽合成酶运用来源于枯草芽孢杆菌非核糖体多肽合成酶（NRPSNRPS）基因簇的磷酸泛酰巯基乙胺酰转移酶）基因簇的磷酸泛酰巯基乙胺酰转移酶（phosphopantetheinylphosphopantetheinyl trans

41、ferasetransferase）基因）基因sfpsfp，以对，以对PKSPKS亚单位的亚单位的ACPACP结构域的翻译后磷酸泛酰结构域的翻译后磷酸泛酰巯基乙胺酰化；巯基乙胺酰化；n过量表达过量表达E.coliE.coli中的丙酰中的丙酰CoACoA合成酶基因合成酶基因prpEprpE，扰乱丙酰扰乱丙酰CoACoA代谢途径，以及过量表达来自代谢途径，以及过量表达来自S.coelicolarS.coelicolar的丙酰的丙酰CoACoA羧化酶基因羧化酶基因pccpcc，使丙，使丙酰酰CoACoA转化为（转化为（2S2S）甲基丙二酰）甲基丙二酰CoACoA 3 3）通过操作）通过操作PKSPK

42、S模块之间连接的组合生物合成模块之间连接的组合生物合成 n通过对通过对DEBSDEBS模块在模块在E.coliE.coli和体外的表达研究，发和体外的表达研究，发现在现在PKSPKS装配过程中那些短的模块内和多肽内的装配过程中那些短的模块内和多肽内的“连接件连接件”是至关重要的成分。研究发现在相继非是至关重要的成分。研究发现在相继非共价连接的模块中，其氨基和羧基末端存在有多共价连接的模块中，其氨基和羧基末端存在有多肽内连接件，这种连接件与单个多肽内的模块之肽内连接件，这种连接件与单个多肽内的模块之间的连接件不同。间的连接件不同。n因此，使用一种合适的连接件就有可能允许杂合因此，使用一种合适的连

43、接件就有可能允许杂合的模块之间进行功能性连接。的模块之间进行功能性连接。 a a：已经鉴定了不同的：已经鉴定了不同的模块内和多肽内的连接模块内和多肽内的连接件，并由此指导合成模件，并由此指导合成模块之间的聚酮体中间体，块之间的聚酮体中间体，这里需要合适的氨基和这里需要合适的氨基和羧基末端连接配对，以羧基末端连接配对，以产生功能性连接模块；产生功能性连接模块；b b：在构建功能性互补：在构建功能性互补体时，可以使用编码来体时，可以使用编码来源于不同微生物多个模源于不同微生物多个模块的全亚基；块的全亚基；如图所示：来源于苦霉如图所示：来源于苦霉素（素（picromycinpicromycin）的）

44、的PKSPKS（PikAIPikAI和和PikAIIPikAII），），与来源于竹桃霉素与来源于竹桃霉素（oleandomycinoleandomycin）的）的PKSPKS（OleA3OleA3）相结合。）相结合。 4 4）通过操作脱氧糖途径基因的组合生物合成）通过操作脱氧糖途径基因的组合生物合成n对已经发现的由自然界中植物、真菌和细菌产生对已经发现的由自然界中植物、真菌和细菌产生的很多具有生理活性的糖苷类化合物的分析发现，的很多具有生理活性的糖苷类化合物的分析发现，连接在苷元上的糖基的结构大多为连接在苷元上的糖基的结构大多为6-6-脱氧己糖脱氧己糖（6-deoxyhexoses, 6DOH

45、s6-deoxyhexoses, 6DOHs）。）。n据统计，这些具有生理活性的糖苷类化合物的结据统计，这些具有生理活性的糖苷类化合物的结构上含有构上含有7070多种不同的多种不同的6-6-脱氧己糖。脱氧己糖。6-脱氧己糖的种脱氧己糖的种类具有生理活性的化合物具有生理活性的化合物产生菌生菌*D-Desosamine红霉素霉素竹桃霉素竹桃霉素苦霉素苦霉素巨大霉素巨大霉素Sacc.erythraeaS.antibioticusS.VenezuelaeM.megalomiceaD-Olivose光光辉霉素霉素乌达霉素达霉素Landomycin S.argillaceusS.fradiaeS.cyan

46、ogenusD-Oliose光光辉霉素霉素S.argillaceusD-Mycarose光光辉霉素霉素S.argillaceusD-Mycaminose泰泰乐星星S.fradiaeD-Mycinose泰泰乐星星S.fradiaeD-Mycosamine制霉菌素制霉菌素S.nourseiL-Dihydrostreptose链霉素霉素S.griseusL-Oleandrose竹桃霉素竹桃霉素阿弗米丁阿弗米丁S.antibioticusS.avermitillisL-Mycarose红霉素霉素巨大霉素巨大霉素泰泰乐星星Sacc.erythraeaM.megalomiceaS.fradiaeL-Nov

47、iose新生霉素新生霉素S.spheroidesL-Rhodinose乌达霉素达霉素LandomycinGranaticin S.fradiaeS.cyanogenusS.violaceoruberL-Daunosamine柔柔红霉素霉素S.peucetiusL-NogaloseNogalamycin S.nogalaterL-Megosamine*巨大霉素巨大霉素M.megalomiceaL-Rhodosamine阿克拉霉素阿克拉霉素S.galilaeusL-EpivancosamineChloroeremomycin A.orientalis2-Deoxy-L-fucose阿克拉霉素阿克拉

48、霉素S.galilaeus由放线菌产生的具有不同生理活性由放线菌产生的具有不同生理活性的糖苷化合物的结构特性的糖苷化合物的结构特性n具有具有单糖残基单糖残基的化合物：红霉素的化合物：红霉素A A、柔红霉素、柔红霉素、urdamycinurdamycin A A和和rebeccamycinrebeccamycin；n具有具有双糖残基双糖残基的化合物：光辉霉素的化合物：光辉霉素（mithramycinmithramycin）；）；n具有具有三糖残基三糖残基的化合物：乌达霉素的化合物：乌达霉素A A（urdamycinurdamycin A A）和光辉霉素（前者同时具有单糖和三糖残基，）和光辉霉素（

49、前者同时具有单糖和三糖残基，后者同时具有双糖和三糖残基）；后者同时具有双糖和三糖残基）；n以以O-O-糖苷键连接糖苷键连接的化合物：红霉素的化合物：红霉素A A、光辉霉素、光辉霉素、柔红霉素和乌达霉素柔红霉素和乌达霉素A A；n以以C-C-糖苷键连接糖苷键连接的化合物：乌达霉素的化合物：乌达霉素A A；n以以N-N-糖苷键连接糖苷键连接的化合物：的化合物：rebeccamycinrebeccamycin。由放线由放线菌产生菌产生的具有的具有不同生不同生理活性理活性的糖苷的糖苷化合物化合物的化学的化学结构结构 a a）通过将竹桃霉素产生菌）通过将竹桃霉素产生菌S.antibioticusS.an

50、tibioticus中齐墩果糖基转移酶基因在不同的中齐墩果糖基转移酶基因在不同的S.erythraeaS.erythraea中的表达，得到了中的表达，得到了33O O鼠李糖基红霉素和鼠李糖基红霉素和6 6dEBdEB衍生物，以及衍生物，以及一个一个desosaminylateddesosaminylated tylactonetylactone；b b）改造来源于刺孢霉素（）改造来源于刺孢霉素（calicheamicincalicheamicin）产生菌的基因，可以得到一个新的脱）产生菌的基因，可以得到一个新的脱氧氨基糖，并将其附着在氧氨基糖，并将其附着在S.lividansS.lividan

51、s产生的苷元上；产生的苷元上； c c）在）在S.lividansS.lividans产生菌中构建产生菌中构建desosaminedesosamine的途径，然后导的途径，然后导入通过遗传操作的入通过遗传操作的DEBSDEBS，可以得到具有新颖结构的，可以得到具有新颖结构的desosaminylateddesosaminylated大环内酯类文库。大环内酯类文库。 将竹桃霉素产生菌抗生链将竹桃霉素产生菌抗生链霉菌中编码竹桃霉素霉菌中编码竹桃霉素oleandrose糖基转移酶的基糖基转移酶的基因因oleGII，（该酶负责将相，（该酶负责将相应的糖基转移到应的糖基转移到8，8a-脱脱氧竹桃内酯（氧

52、竹桃内酯（8，8a-deoxyoleandolide）的）的4位羟基上），整合到红霉位羟基上），整合到红霉素产生菌素产生菌eryBV缺失突变株缺失突变株中，中，eryBV基因编码的糖基因编码的糖基转移酶负责将基转移酶负责将L-mycarose糖基转移到糖基转移到6-脱脱氧红霉内酯（氧红霉内酯（6-deoxyerythronolide）甙元）甙元的相同位置的相同位置，并进行表达，并进行表达，结果得到了将天然糖基结果得到了将天然糖基L-rhamnose转移到转移到6-脱氧红脱氧红霉内酯霉内酯4位的新红霉素衍位的新红霉素衍生物，其具有抗菌活性生物，其具有抗菌活性， 将将泰乐菌素产生菌弗氏链霉菌中编泰

53、乐菌素产生菌弗氏链霉菌中编码码mycaminose糖基转移到泰乐菌糖基转移到泰乐菌素甙元上的转移酶基因素甙元上的转移酶基因tylM2整合整合到红霉素产生菌三缺失突变株到红霉素产生菌三缺失突变株SGT2，（分别缺失聚酮体合成酶，（分别缺失聚酮体合成酶基因、基因、mycarose和和desosamine糖基糖基转移酶基因，但仍然具有合成转移酶基因，但仍然具有合成L-mycarose和和D-desosamine的能力），的能力），并使之表达，同时在培养过程中外并使之表达，同时在培养过程中外源加入源加入16-元环的泰乐酮元环的泰乐酮（tylactone），结果得到一种新的），结果得到一种新的泰乐星衍生

54、物泰乐星衍生物5-O-desosaminyl-tylactone，如图）所示。说明泰乐，如图）所示。说明泰乐菌素产生菌中的转移酶菌素产生菌中的转移酶TylM2能够能够识别和转移不同的氨基糖。识别和转移不同的氨基糖。这两个例子同时也表明抗生素糖基这两个例子同时也表明抗生素糖基转移酶具有较宽的底物专一性转移酶具有较宽的底物专一性。5 5）通过表达杂合基因方法）通过表达杂合基因方法的组合生物合成的组合生物合成 第一个例子是应用有些大环内酯类抗生素第一个例子是应用有些大环内酯类抗生素3 3或或44位的羟基酰化酶基因，使某些大环内酯类抗生素在位的羟基酰化酶基因，使某些大环内酯类抗生素在相应的位置酰化：相

55、应的位置酰化：1 1）异戊酰螺旋霉素）异戊酰螺旋霉素（来自碳霉素的（来自碳霉素的4”4”异戊酰辅酶异戊酰辅酶A A转移酶的转移酶的carEcarE基因基因 ）；）；2 2）丙酰螺旋霉素）丙酰螺旋霉素（来自麦迪霉素的（来自麦迪霉素的4”4”丙酰化酶的丙酰化酶的mptmpt基因）；基因）；3 3）乙酰泰乐菌素）乙酰泰乐菌素等（来自碳霉素的等（来自碳霉素的3 3O O乙酰转移乙酰转移酶的酶的acyAacyA基因）。基因）。 引入外源酶基因产生杂合抗生素引入外源酶基因产生杂合抗生素丙酰螺旋霉素基因工程菌构建图丙酰螺旋霉素基因工程菌构建图必特螺旋霉素的结构必特螺旋霉素的结构R1 H R2 COCH2CH

56、(CH3)2 COCH3 COCH2CH2CH3 COCH2CH3 COCH2CH3 COCH32 2、蒽环类抗生素产生菌、蒽环类抗生素产生菌 的组合生物合成的组合生物合成 蒽环类抗生素是一类临床上非常重要的抗蒽环类抗生素是一类临床上非常重要的抗肿瘤抗生素，它们同样是肿瘤抗生素，它们同样是PKSPKS生物合成途径，生物合成途径，因此，通过以下集中组合生物合成的方法，因此，通过以下集中组合生物合成的方法，可以得到一系列可以得到一系列“非天然的天然杂合化合非天然的天然杂合化合物物”。1 1）通过破坏靶基因的组合生物合成）通过破坏靶基因的组合生物合成 通过基因框内的诱变或缺失，或插入抗生通过基因框内

57、的诱变或缺失，或插入抗生素耐药基因盒的方法，可以将所选择的靶素耐药基因盒的方法，可以将所选择的靶基因特异性地钝化；基因特异性地钝化； 尽管靶基因的破坏可以得到新的化合物，尽管靶基因的破坏可以得到新的化合物，但会出现错误的结果，这是因为一方面由但会出现错误的结果，这是因为一方面由于极性效应影响下游基因的表达，另一方于极性效应影响下游基因的表达，另一方面受到由于外源面受到由于外源DNADNA片断的插入造成的反义片断的插入造成的反义RNARNA合成影响上游基因。合成影响上游基因。 1 1）通过破坏靶基因的组合生物合成）通过破坏靶基因的组合生物合成 在光神霉素（在光神霉素（mithramycinmit

58、hramycin）产生菌）产生菌S.argillaceusS.argillaceus中，中，破坏编码葡萄糖破坏编码葡萄糖1 1磷酸磷酸胸苷胸苷55三磷酸胸苷转移酶的基因三磷酸胸苷转移酶的基因mtmDmtmD后，获后，获得了两个四环类的光神霉素衍生物：得了两个四环类的光神霉素衍生物：premithramycinonepremithramycinone和和4 4脱甲基脱甲基premithramycinonepremithramycinone衍生物；衍生物； PremithramycinonePremithramycinone的抗肿瘤生物活性与光神霉素的抗肿瘤生物活性与光神霉素相似，且有趣的是其化学

59、结构与来源于黑曲霉相似，且有趣的是其化学结构与来源于黑曲霉A.nigerA.niger的神经肽受体抑制剂的神经肽受体抑制剂BMSBMS非常相似，如图非常相似，如图所示。所示。 通过基因破坏后得到的两个光神霉素通过基因破坏后得到的两个光神霉素衍生物和衍生物和BMS-192548BMS-192548 2 2）通过表达杂合基因方法）通过表达杂合基因方法的组合生物合成的组合生物合成 来源于来源于S.fradiaeS.fradiae的的urdEurdE基因，编码一种氧基因，编码一种氧化酶，其可能涉及到将化酶，其可能涉及到将1 1分子氧引入到乌达分子氧引入到乌达霉素结构中；霉素结构中； 在控制启动子在控制

60、启动子ermEermE的条件下，将其在丁省的条件下，将其在丁省霉素霉素C C产生菌产生菌S.glaucescensS.glaucescens中表达，产生中表达，产生一种新的杂合化合物，一种新的杂合化合物，6 6羟基丁省霉素羟基丁省霉素C C，如图所示。，如图所示。 通过将乌达霉素产生菌的通过将乌达霉素产生菌的urdEurdE基因在丁省霉素基因在丁省霉素C C产生菌产生菌 中表达，得到一种杂合产物中表达，得到一种杂合产物6 6羟基丁省霉素羟基丁省霉素C C2 2）通过表达杂合基因方法）通过表达杂合基因方法 的组合生物合成的组合生物合成 另外一个实例是，将柔红霉素产生菌另外一个实例是，将柔红霉素产

61、生菌S.peucetiusS.peucetius中中编码编码11-aklavinone-11-aklavinone-羟化酶羟化酶的基因（的基因（dnrFdnrF），在阿克拉霉素产生菌），在阿克拉霉素产生菌S.galilaeusS.galilaeus中表达，中表达，结果得到了一种新的结果得到了一种新的杂合化合物，杂合化合物，1111羟基阿克拉霉素羟基阿克拉霉素A A，如图，如图所示。所示。 这种羟基化的产物，其对白血病细胞和黑这种羟基化的产物，其对白血病细胞和黑色素瘤细胞的生物活性比阿克拉霉素要强。色素瘤细胞的生物活性比阿克拉霉素要强。 杂合化合物杂合化合物1111羟基阿克拉霉素羟基阿克拉霉素A

62、 A的组合生物合成的组合生物合成 2 2）通过表达杂合基因方法）通过表达杂合基因方法 的组合生物合成的组合生物合成 通过这种组合生物合成的方法，已经获得了数通过这种组合生物合成的方法，已经获得了数个杂合糖苷化的丁省霉素，如用含有一个完整个杂合糖苷化的丁省霉素，如用含有一个完整埃罗霉素（埃罗霉素（elloramycinelloramycin）基因簇（具有产生）基因簇（具有产生8 8去甲基丁省霉素去甲基丁省霉素C C的能力）的黏粒转化乌达霉的能力）的黏粒转化乌达霉素产生菌或光神霉素产生菌，可以得到四种新素产生菌或光神霉素产生菌，可以得到四种新的糖苷化合物：齐墩果糖基、鼠李糖基、的糖苷化合物：齐墩果

63、糖基、鼠李糖基、mycarosylmycarosyl丁省霉素丁省霉素C C和双齐墩果糖基丁省霉素和双齐墩果糖基丁省霉素C C，如图所示。，如图所示。 有趣的是，这些脱氧糖在乌达霉素和光神霉有趣的是，这些脱氧糖在乌达霉素和光神霉素苷元上的附着位置，与在埃罗霉素的附着位素苷元上的附着位置，与在埃罗霉素的附着位置不同。表明，这些聚酮体的糖基转移酶具有置不同。表明，这些聚酮体的糖基转移酶具有底物宽泛性。底物宽泛性。 杂合糖苷化丁省霉素的组合生物合成杂合糖苷化丁省霉素的组合生物合成 能够被能够被ElmGTElmGT糖基转移酶转移的一些糖基转移酶转移的一些 糖基和糖基和elloramycinelloram

64、ycin甙元的结构甙元的结构 表柔红霉素和表阿霉素基因工程菌的构建表柔红霉素和表阿霉素基因工程菌的构建 表柔红霉素和表阿霉素基因工程菌的构建表柔红霉素和表阿霉素基因工程菌的构建 通过通过钝化钝化dnmVdnmV基因基因，得到一个柔红霉素和阿霉素产，得到一个柔红霉素和阿霉素产生菌的阻断突变株，生菌的阻断突变株，dnmVdnmV基因编码基因编码4 4酮基还原酶，酮基还原酶，其与合成这类抗生素结构中的脱氧糖，柔毛霉胺的其与合成这类抗生素结构中的脱氧糖，柔毛霉胺的合成有关。合成有关。 分别将阿维菌素产生菌中编码分别将阿维菌素产生菌中编码合成齐墩果糖的基因合成齐墩果糖的基因avrEavrE，以及红霉素产

65、生菌中编码，以及红霉素产生菌中编码合成合成mycarosemycarose的基的基因因eryBIVeryBIV，克隆到，克隆到dnmVdnmV基因阻断突变株中。基因阻断突变株中。 由于重组工程菌中的外源基因表达的由于重组工程菌中的外源基因表达的4-4-酮基还原酶酮基还原酶的特性与柔红霉素产生菌中的的特性与柔红霉素产生菌中的4-4-酮基还原酶不同，酮基还原酶不同，前者具有非对映立体催化特性而能够形成前者具有非对映立体催化特性而能够形成L-L-epidaunosamineepidaunosamine（表柔毛霉氨）（表柔毛霉氨）。而突变株。而突变株dnmVdnmV生生物合成甙元的能力和合成糖基转移酶

66、的能力仍然保物合成甙元的能力和合成糖基转移酶的能力仍然保持，且由于糖基转移酶的底物专一性较差而不影响持，且由于糖基转移酶的底物专一性较差而不影响将表柔毛霉氨连接在原来的蒽环酮上，从而得到将表柔毛霉氨连接在原来的蒽环酮上，从而得到4-4-表柔红霉素和表柔红霉素和4-4-表阿霉素表阿霉素，如图所示。，如图所示。表柔红霉素和表阿霉素基因工程菌的构建表柔红霉素和表阿霉素基因工程菌的构建二、具有非核糖体生物合成肽类途径的二、具有非核糖体生物合成肽类途径的微生物药物产生菌的组合生物合成微生物药物产生菌的组合生物合成 n具有具有非核糖体生物合成途径（非核糖体生物合成途径（none none ribosoma

67、l peptide ribosomal peptide synthasessynthases，NRPSsNRPSs）的环肽或糖肽类的环肽或糖肽类“天然产物天然产物”，如万古霉，如万古霉素、博莱霉素、环孢菌素素、博莱霉素、环孢菌素A A和埃坡霉素等进和埃坡霉素等进行了大量的研究工作，并取得了令人注目行了大量的研究工作，并取得了令人注目的成果。的成果。ChloroeremomycinChloroeremomycin 生物合成生物合成 n（1 1）小分子准备）小分子准备 在酶的催化下生成装配过程中在酶的催化下生成装配过程中需要的小分子化合物，对于万古霉素族糖肽类抗需要的小分子化合物，对于万古霉素族糖

68、肽类抗生素而言包括：生素而言包括：非蛋白氨基酸和非蛋白氨基酸和TDP-L-TDP-L-b-b-epivancosamineepivancosamine；n（2 2）装配）装配 上步准备好的氨基酸通过腺苷化反应上步准备好的氨基酸通过腺苷化反应（adenylationadenylation）转换成为腺苷酸，而后与邻近肽）转换成为腺苷酸，而后与邻近肽载体蛋白（载体蛋白（peptide carrier protein, PCPpeptide carrier protein, PCP）上）上的巯基形成硫酯（的巯基形成硫酯（thiolationthiolation），），PCPPCP之间的缩合之间的缩合功

69、能域（功能域（condensationcondensation）催化肽键形成。经过几）催化肽键形成。经过几个延伸过程，最后个延伸过程，最后TETE域将完成的肽切下。有时过域将完成的肽切下。有时过程中还会有差向异构作用程中还会有差向异构作用( (epimerisationepimerisation) )。n（3 3）装配后修饰）装配后修饰 在这步反应中通常进行氧化反在这步反应中通常进行氧化反应和糖基化，对于有的化合物还存在应和糖基化，对于有的化合物还存在N N端甲基化反端甲基化反应。应。万古霉素的生物合成万古霉素的生物合成 另据研究，天然的万古霉素生物合成共有另据研究，天然的万古霉素生物合成共有

70、3535步，其先以步，其先以五种自由的氨基酸单体合成一线五种自由的氨基酸单体合成一线形的七肽形的七肽，然后芳基边链在交联酶的催化下，然后芳基边链在交联酶的催化下适时地组合、交联，形成复杂的七肽骨架，适时地组合、交联，形成复杂的七肽骨架，最后最后UDP-glucoseUDP-glucose和和UDP-4-epi-vancosamineUDP-4-epi-vancosamine在糖基转移酶的作用下连接到七肽骨架上。在糖基转移酶的作用下连接到七肽骨架上。万古霉素生物合成的五种起始自由氨基酸单体万古霉素生物合成的五种起始自由氨基酸单体 万古霉素生物合成的逆向合成分析图万古霉素生物合成的逆向合成分析图

71、在万古霉素家族中发现的糖基在万古霉素家族中发现的糖基 GtfEGtfE糖基转移酶识别并将糖基转移酶识别并将UDP-glucoseUDP-glucose转移至七肽骨架上转移至七肽骨架上 GtfDGtfD糖基糖基转移酶转移酶识别并识别并将将4 4epiepivancosaminevancosamine连接至连接至万古霉万古霉素骨架上素骨架上 2 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状n糖肽类抗生素的组合生物合成主要有糖肽类抗生素的组合生物合成主要有4 4条途经条途经: :n第一，提供新的氨基酸单体，或者是利用已知生物合成途第一，提供新的氨基酸单体，或者是利用

72、已知生物合成途经中的酶来催化生成新的我们所需要的氨基酸单体，使合经中的酶来催化生成新的我们所需要的氨基酸单体，使合成新的七肽骨架成新的七肽骨架; ;n第二，改变七肽第二，改变七肽NRPSNRPS装配线上的基因，从而达到重新设计装配线上的基因，从而达到重新设计生物合成途经的目的生物合成途经的目的; ;n第三，在七肽装配之后，干预修饰酶（第三，在七肽装配之后，干预修饰酶（tailoringtailoring）作用）作用的步骤，包括的步骤，包括N N甲基化、酪氨酸的甲基化、酪氨酸的羟化等羟化等; ;n第四，利用糖基转移酶将不同结构的糖基与不同苷元连接第四，利用糖基转移酶将不同结构的糖基与不同苷元连接

73、以及连接不同的个数，从而产生具有不同生理活性的最终以及连接不同的个数，从而产生具有不同生理活性的最终产物。因此糖苷化酶可以作为一种制备各种不同糖苷化合产物。因此糖苷化酶可以作为一种制备各种不同糖苷化合物的催化剂，有可能从中找到具有潜在应用价值的新活性物的催化剂，有可能从中找到具有潜在应用价值的新活性物质。物质。2 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状nSolenbergSolenberg等从万古霉素产生菌东方拟无枝酸菌等从万古霉素产生菌东方拟无枝酸菌C329.4C329.4中克隆到了两个糖基转移酶基因中克隆到了两个糖基转移酶基因gtfEgtfE和和gt

74、fDgtfD，并从，并从chloroeremomycinchloroeremomycin产生菌中克隆到了产生菌中克隆到了3 3个糖基转移酶基因个糖基转移酶基因gtfAgtfA、gtfBgtfB和和gtfCgtfC; ;n将将gtfBgtfB和和gtfEgtfE在大肠埃希氏菌中表达，研究了其在大肠埃希氏菌中表达，研究了其体外活性。结果表明当体外活性。结果表明当TDP-TDP-葡萄糖存在时，从大葡萄糖存在时，从大肠埃希氏菌中表达的糖基转移酶肠埃希氏菌中表达的糖基转移酶GtfBGtfB和和GtfEGtfE能够能够在体外将葡萄糖转移到万古霉素糖苷上，从而得在体外将葡萄糖转移到万古霉素糖苷上，从而得到中

75、间体到中间体DVVDVV（desvancosaminyldesvancosaminyl vancomycinvancomycin）; ;n当底物换为当底物换为UDPUDP葡萄糖，葡萄糖，UDP-D-UDP-D-木糖时，仍然能木糖时，仍然能够转移到万古霉素糖苷上够转移到万古霉素糖苷上; ;nGtfEGtfE也能够将也能够将TDP/UDP-TDP/UDP-葡萄糖转移到无糖基化的葡萄糖转移到无糖基化的化合物化合物A47934A47934和和A41030A41030上，而上，而GtfBGtfB不能将化合物不能将化合物A47934A47934糖基化，表明糖基化，表明GtfEGtfE相对于相对于GtfBG

76、tfB底物特异性底物特异性差。差。 2 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状n在在MatsushimaMatsushima等建立地无糖基化合物等建立地无糖基化合物A47934A47934产生菌丰加链霉菌（产生菌丰加链霉菌（StreptomycesStreptomyces toyocanesistoyocanesis）基因转移系统的基础上，）基因转移系统的基础上，SolenbergSolenberg等还成功地将含有糖基转移酶基等还成功地将含有糖基转移酶基因因gtfEgtfE的质粒导入到丰加链霉菌中，得到的质粒导入到丰加链霉菌中，得到了糖基化的了糖基化的A

77、47934A47934衍生物。衍生物。GtfEGtfE和和GtfBGtfB在体内进行的糖苷化反应在体内进行的糖苷化反应 2 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状nLoseyLosey等采用化学酶法合成了很多等采用化学酶法合成了很多NDP-NDP-葡萄糖的类葡萄糖的类似物来研究似物来研究GtfDGtfD和和GtfEGtfE的催化活性。结果表明，的催化活性。结果表明，GtfEGtfE不但能用不但能用UDP-UDP-葡萄糖类似物，葡萄糖类似物，TDP-TDP-葡萄糖类葡萄糖类似物作为糖基供体，同时还可以采用脱氧葡萄糖似物作为糖基供体，同时还可以采用脱氧葡萄糖

78、类似物以及氨基在类似物以及氨基在2 2、3 3、4 4、或、或6 6位的位的TDP/UDP-TDP/UDP-葡葡萄糖类似物作为糖基供体萄糖类似物作为糖基供体; ;n更值得注意的是，一般来讲更值得注意的是，一般来讲GtfDGtfD将将vancosaminevancosamine连连接至万古霉素的假糖苷的葡萄糖配基上，试验结接至万古霉素的假糖苷的葡萄糖配基上，试验结果表明果表明GtfDGtfD还可以将还可以将4-epi-vancosamine4-epi-vancosamine连接至连接至GtfEGtfE以不同的糖基供体为底物所催化生成的衍生以不同的糖基供体为底物所催化生成的衍生物上（糖基化位点在物

79、上（糖基化位点在2-2-脱氧的除外）。这样产生脱氧的除外）。这样产生的带有两个氨基糖的万古霉素衍生物就提供了一的带有两个氨基糖的万古霉素衍生物就提供了一种新的结构，以便于继续进行类似于种新的结构，以便于继续进行类似于oritavancinoritavancin的烷基化从而提高生物活性。的烷基化从而提高生物活性。2 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状nChen等从等从chloroeremomycin 的生物合成基因的生物合成基因簇中克隆到了簇中克隆到了L-epivancosamine的合成基因，的合成基因，在大肠埃希氏菌中表达，并成功地在体外重建了在大

80、肠埃希氏菌中表达，并成功地在体外重建了从从TDP-4-酮基酮基-6-脱氧脱氧D-葡萄糖经过葡萄糖经过C-2脱氧合作脱氧合作用用(deoxygenation)、C-3胺化胺化(amination)、甲基、甲基化化(methylation)、C-4酮基还原、酮基还原、C-5表构异化表构异化等步骤得到了等步骤得到了TDP-L epivancosamine。这个糖。这个糖基的基因克隆和表达为以后组合生物合成提供了基的基因克隆和表达为以后组合生物合成提供了信息。信息。 2 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状n对万古霉素等糖肽类抗生素进行的组合生对万古霉素等糖肽

81、类抗生素进行的组合生物合成，不单单可以通过外源添加不同的物合成，不单单可以通过外源添加不同的糖基供体，还可以通过将产生菌体内原有糖基供体，还可以通过将产生菌体内原有的糖合成途径进行破坏或置换、以及对糖的糖合成途径进行破坏或置换、以及对糖基转移酶进行改造等改变糖基化方式产生基转移酶进行改造等改变糖基化方式产生新的化合物新的化合物; ;n另外，对肽骨架装配时所需的氨基酸生物另外，对肽骨架装配时所需的氨基酸生物合成的了解以及相关基因的分离和表达，合成的了解以及相关基因的分离和表达，也为万古霉素等糖肽类抗生素的组合生物也为万古霉素等糖肽类抗生素的组合生物合成提供了有益的信息。合成提供了有益的信息。 2

82、 2、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状、糖肽类抗生素的组合生物合成的研究现状n目前对于研发新的万古霉素等糖肽类杂合抗生素目前对于研发新的万古霉素等糖肽类杂合抗生素主要集中在对糖基化方式的研究和改造，但至今主要集中在对糖基化方式的研究和改造，但至今为止绝大多数的研究是在大肠埃希氏菌中或在为止绝大多数的研究是在大肠埃希氏菌中或在S. S. toyocanesistoyocanesis等链霉菌中进行异源表达等链霉菌中进行异源表达; ;n美国美国ChristopherChristopher领导的小组以及德国领导的小组以及德国WohllebenWohlleben所领导的小组对万古霉素生物合成途径中的

83、很多所领导的小组对万古霉素生物合成途径中的很多酶进行了体外表达，并对酶学性质，立体结构等酶进行了体外表达，并对酶学性质，立体结构等进行了详细的研究，为万古霉素等糖肽类抗生素进行了详细的研究，为万古霉素等糖肽类抗生素的组合生物合成做了充分的准备的组合生物合成做了充分的准备; ;n但目前在万古霉素等糖肽类抗生素产生菌体内进但目前在万古霉素等糖肽类抗生素产生菌体内进行组合生物合成还未见报道，关键可能是缺乏完行组合生物合成还未见报道，关键可能是缺乏完善的拟无枝酸菌遗传操作系统。善的拟无枝酸菌遗传操作系统。 3 3、类胡萝卜素的组合生物合成、类胡萝卜素的组合生物合成n作为抗氧化剂，类胡萝卜素具有很大的药

84、物应用作为抗氧化剂，类胡萝卜素具有很大的药物应用前景，如已经显示这类化合物对心血管疾病和肿前景，如已经显示这类化合物对心血管疾病和肿瘤具有相当的疗效瘤具有相当的疗效; ;n迄今为止，已有迄今为止，已有600600多种类胡萝卜素的结构被确证，多种类胡萝卜素的结构被确证，但由于化学合成的困难，以及从微生物代谢产物但由于化学合成的困难，以及从微生物代谢产物和植物组织中分离困难而难以实现产业化和植物组织中分离困难而难以实现产业化; ;n但是，近年来发展的组合生物合成技术，有可能但是，近年来发展的组合生物合成技术，有可能通过外源基因在通过外源基因在E.coliE.coli中的杂合表达，来制备这中的杂合表

85、达，来制备这些稀少的衍生物甚至产生新的类胡萝卜素化合物。些稀少的衍生物甚至产生新的类胡萝卜素化合物。第三节第三节 组合生物催化与组合生物催化与微生物新药的发现微生物新药的发现组合生物转化（催化）组合生物转化（催化）（combinatorial combinatorial biocatalysisbiocatalysis）n是指利用一种以上的具有特殊转化功能的是指利用一种以上的具有特殊转化功能的微生物或酶，对同一个母体化合物进行组微生物或酶，对同一个母体化合物进行组合转化，以得到化学结构的多样性，它是合转化，以得到化学结构的多样性，它是从已知化合物中寻找新型衍生物以及从简从已知化合物中寻找新型衍

86、生物以及从简单化合物制备复杂化合物的有效手段单化合物制备复杂化合物的有效手段; ;n从某种角度讲，它比化学合成的方法更为从某种角度讲，它比化学合成的方法更为简单和有效简单和有效; ;n这是一个新的研究领域。这是一个新的研究领域。模拟生物体的生命过程，利用组合生物模拟生物体的生命过程，利用组合生物催化技术构建先导化合物库催化技术构建先导化合物库 可用可用于组于组合合合合成的成的生物生物催化催化反应反应 反应类型反应类型特异性反应特异性反应引进功能基团引进功能基团CCCC键的形成键的形成羟化反应羟化反应卤化反应卤化反应卤代醇的形成卤代醇的形成环加成环加成加入胺加入胺对已有功能基团的改造对已有功能基

87、团的改造氧化醇至醛和酮氧化醇至醛和酮还原醛和酮至醇还原醛和酮至醇氧化硫化物至亚砜氧化硫化物至亚砜氧化氨基至硝基氧化氨基至硝基氧化硫至硫醛氧化硫至硫醛水解腈至羧酸水解腈至羧酸用羟基置换氨基用羟基置换氨基内酯化内酯化异构化异构化差向异构化差向异构化脱烷基化脱烷基化甲基转移甲基转移加入基团至功能基团加入基团至功能基团酯化作用酯化作用酯的形成酯的形成氨基甲酸酯的形成氨基甲酸酯的形成环化环化胺化胺化磷酸化磷酸化利用生物催化发现先导化合物的优越性利用生物催化发现先导化合物的优越性 可能进行反应的范围广；可能进行反应的范围广；能够定向进行区域选择性和立体选择性；能够定向进行区域选择性和立体选择性；不需基团保

88、护和脱保护，一步实现所需的反应；不需基团保护和脱保护，一步实现所需的反应；在温和和均一的条件下可容易地实现自动化和一在温和和均一的条件下可容易地实现自动化和一步反应的重现性；步反应的重现性；温和的反应条件复杂易变的分子结构的稳定性；温和的反应条件复杂易变的分子结构的稳定性；高的催化活性可以降低催化剂的用量；高的催化活性可以降低催化剂的用量；酶的固定化可以使催化剂反复和循环使用；酶的固定化可以使催化剂反复和循环使用；生物催化剂在环境中完全被降解。生物催化剂在环境中完全被降解。 生物催化产生的分子库生物催化产生的分子库前导化合物前导化合物库容量库容量内容内容腺苷腺苷922代代3个反应级个反应级BOD12223代代3个反应级个反应级MDB4574代代9个反应级个反应级二羟基托烷二羟基托烷32区域选择性区域选择性单单BOC二胺二胺26一锅炒，单酶一锅炒，单酶肽肽？一锅炒，不规则一锅炒，不规则紫杉醇紫杉醇282代代复杂的天然产物复杂的天然产物矮茶素矮茶素6002代代7个反应级个反应级1673代代区域选择性区域选择性低聚糖低聚糖15重组酶重组酶天然产物库的构建天然产物库的构建 矮茶素的组合生物催化矮茶素的组合生物催化 谢谢大家！谢谢大家！