双金属协同催化立体发散性合成手性非天然α-氨基酸

手性非天然α-氨基酸是一类重要的化合物,在合成化学和生物医药领域都有十分广泛的应用.通过不对称催化合成高效构建手性非天然α-氨基酸,一直以来都是有机合成化学的研究热点之一,并且已经发展出多种较为成熟的合成途径.其中,最近几年兴起的双金属协同催化策略在该领域取得了巨大的成功.双金属协同催化在很多反应中表现出更高的催化活性,特别是可以通过催化剂的合理组合实现目标产物各种光学异构体的立体发散性精准合成,极大提升了该合成方法的高效与实用性,同时也为相关手性非天然α-氨基酸衍生物及其光学异构体的构效关系研究提供了便捷途径.本文对近年来双金属协同催化的立体发散性合成非天然氨基酸的研究进展进行了归纳,主要介绍该策略在亚甲胺叶立德参与的不对称烯丙基化和不对称炔丙基化反应中的应用,并讨论了相关局限性和发展前景.     

大肠杆菌合成中链脂肪酸研究进展

中链脂肪酸(medium-chain fatty acids, MCFAs)及其衍生化学品在能源、医药、化工等诸多领域具有重要的应用价值.微生物发酵生产MCFAs是一条绿色、可持续的路线.大肠杆菌(Escherichia coli)可利用天然脂肪酸合成(fatty acid biosynthesis, FAB)路径和逆向β氧化(reversedβ-oxidation, RBO)路径合成MCFAs. MCFAs生产存在链长难控制、合成效率低、细胞损伤大等问题.近年来,工程大肠杆菌合成MCFAs取得了重大进展.通过链长控制蛋白的筛选与改造, MCFAs合成特异性得以提高;通过增加前体供应和强化产物释放,对合成路径进行“推-拉”, MCFAs合成效率得以改善;通过膜工程改造、应激响应调控及适应性进化,工程菌株对MCFAs的耐受性得以增强.本文基于大肠杆菌合成MCFAs的两种路径,系统综述了近年来控制产物链长、优化合成路径和增强细胞耐受的工程化策略,并展望了后续改善MCFAs合成的研究方向.     

天然产物中β-位甲基化氨基酸单元的生物合成研究进展

相对于组成蛋白质大分子的20种标准氨基酸,更多的非标准氨基酸(将近500种)被引入天然产物的生物合成中,后者对于天然产物发挥独特的生物学功能具有至关重要的作用.β-位甲基化氨基酸作为一类非标准氨基酸,在一些活性天然产物的生物合成中及初级代谢中也有很多报道.它们的生物合成主要通过3种方式:(1)谷氨酸变位酶催化;(2)甲基转移酶和氨基转移酶联合催化;(3)S-腺苷甲硫氨酸自由基酶催化.本文综述了近年来文献中报道的天然产物中β-位甲基氨基酸单元的生物合成方式,通过代谢工程、合成生物学及酶工程的手段,将有助于提高含有该单元的活性天然产物的产量,同时有助于创造更多含有该单元的非天然-天然产物.     

自合成的A链与天然B链合成结晶牛胰岛素

本文扼要报导自合成的A链S-磺酸衍生物与天然B链S-磺酸衍生物给合而获得结晶牛胰岛素。前文报导后,我们在A链的合成以及最后半合成产物的纯化方面都作了改进。牛胰岛素A链羧端十二肽Ⅰ,即:N-苄氧羰基缬氨酰-S-苄基半胱氨酰-丝氨酰-亮氨酰-酪氨酰-谷氨酰胺酰-亮氨酰-谷氨酰-天门冬酰胺酰-酪氨酰-S-苄基半胱氨酰-天门冬酰胺,曾从下述两种合成途径获得:(1)已知的三肽酰肼     

合成生物学优化微生物碳代谢过程中的碳保存与碳固定

随着化石资源的过度开发和利用,由CO₂过度排放引起的全球变暖已经引起全世界的高度关注,亟待找到可持续的替代解决方案.利用微生物作为细胞工厂,对天然碳代谢途径进行改造以实现更大程度的碳保留及利用天然碳固定途径和人工固碳途径,将碳源转化为可利用碳物质,是减少碳排放、缓解温室效应的有效途径.本文以微生物系统在其代谢过程中优化碳保存及碳固定的能力为主要标准,主要总结了近年来人工碳保留途径和人工固碳途径设计合成方面取得的进展,并进行了比较分析,讨论了以微生物作为细胞工厂实现绿色低碳可持续生产的价值.随着合成生物学的不断发展,越来越多的二氧化碳固定机制将被挖掘和开发,用于重构微生物代谢,实现高效的生物制造,开启工业脱碳的正循环.     

软珊瑚Paralemnalia thyrsoides中的倍半萜及其生源关系

萜类化合物是软珊瑚的重要次生代谢产物.我们在对软珊瑚的研究中,曾发现一系列具有生理活性的大环二萜和罕见的双十四元环四萜——扭曲肉芝甲酯和异扭曲肉芝甲酯,提出了这二个四萜在软珊瑚Sarcophyton tortuosum中可能的生源合成途径.最近,Bowden等从同种属的澳大利亚软珊瑚(S.tortuosum)中除发现一个新的结构相似的四萜外,还分离到我们提出的这类四萜的可能的生源前体——十四元环二萜,证实了我们的生源推测.     

高脂膳食对小鼠T细胞的影响

正高脂膳食可通过提高脂质代谢激酶ACC1的表达量,驱动CD4T细胞分化为Th17细胞,从而有可能引发自身免疫性疾病。高脂膳食小鼠进食高脂膳食后,其CD4T细胞即高表达脂肪酸生物合成基因Acaca,该基因可编码ACC1酶(1)。ACC1脂肪酸合成途径的产物促使转录因子RORγt结合在编码细胞因子IL-17A(2)的基因附近。     

微生物细胞工厂

微生物细胞工厂是合成生物学的重要研究方向之一.本文以微生物细胞工厂的产业应用为需求牵引,从物质代谢和能量代谢两方面系统阐述了细胞工厂的合成代谢调控机制,为高效细胞工厂创建奠定了理论基础.本团队在物质代谢方面,建立了新酶元件挖掘技术平台,完成了一系列三萜化合物的合成途径解析;开发了染色体多基因文库调控、糖基化酶碱基编辑器(glycosylase base editor, GBE)等途径精准调控使能技术,完成一系列化学品合成途径限速步骤的鉴定,解决了元件与合成途径的适配问题.在能量代谢方面,设计创建了4种葡萄糖新型能量代谢模式,解决了合成途径还原力供给与需求不平衡的问题.在此基础上,创建出一系列微生物细胞工厂, 14个化学品完成技术转让,其中4个化学品实现万吨级产业化,支撑一家企业在科创板上市,推动了微生物细胞工厂的产业应用.最后,对未来微生物细胞工厂的研究进行了展望.     

基于天然产物衍生优化的小分子药物研发

天然产物一般泛指自然界中包括动物、植物和微生物等活体生物体中内源性的化学成分或其代谢产物.人类对天然产物的发现、采集、使用和加工并用于疾病的治疗贯穿于整个人类文明史.古有神农尝百草,之后东汉《神农本草经》、陶弘景《名医别录》、葛洪《肘后备急方》和李时珍《本草纲目》等中药学著作都记录了古代中国劳动人民对天然产物药用功效的探索和开发.近代科学体系建立后,天然产物研究更侧重于分离和鉴定具有生理学活性的有效成分.19世纪初发现的第一个现代药物吗啡,也促成了第一家现代制药公司默克.在相当长的时间内,天然产物是新药研发的最重要的、也是唯一的源泉.随着有机化学和药物化学的发展,直接用天然产物作为药物的可能性越来越小,人工合成小分子药物慢慢开始占主导地位.但针对天然产物进行改造或利用天然产物的结构特征,仍然是新药开发的重要手段之一.通过对天然产物进行衍生优化,不仅可以提高化合物的溶解度、稳定性等来改善药物在体内的动态,还可以增加活性或选择性以及降低化合物的毒性等来增强天然产物的成药性.本文列举了一些基于天然产物的小分子药物,包括青蒿素和阿维菌素研究开发的例子,用以阐明天然产物结构鉴定,特别是天然产物的衍生优化在小分子新药研发中的重要性.     

转基因植物生产生物可降解塑料的研究进展

ＰＨＡ以其完全的生物可降解性,良好的物理加工特性以及生物相容性而被作为替代化学合成塑料,消除塑料垃圾污染的最具吸引力的选择。采用细菌发酵法已实现了小规模的商业化生产,但价格昂贵,不能同化学合成塑料相竞争。利用转基因植物生产ＰＨＡ有望使其价格下降至合成塑料的水平。目前已将ＰＨＢ及ＰＨＢＶ合成有关基因转入植物体中并获得表达,但远未达到商业化生产的要求。加强植物体内碳代谢调控,脂肪酸代谢调控以及ＰＨＡ合     

古老而充满魅力的红曲菌

红曲菌(Monascus spp.)又称红曲霉,是我国传统特色的药食同源发酵微生物.红曲菌可产生天然食品着色剂红曲色素(Monascus pigments, MPs)、降血脂成分莫纳可林K(monacolin K, MK)以及丰富的淀粉酶和酯化酶等酶系,红曲菌的发酵产品红曲在我国有近2000年的应用历史.但是某些红曲菌株也可产生真菌毒素桔霉素(citrinin,CIT),污染红曲产品,导致食品安全问题.研究人员通过不懈努力,目前已经解决了红曲产品中CIT污染的问题,关于MPs、MK和CIT等红曲菌主要次级代谢产物生物合成途径及其调控机理的研究也取得了重大突破.同时,研究还发现,红曲菌具有独特的繁殖调控机制以及对光照和磁场(光磁)的感应机理.本文系统梳理了近30年来所取得的关于红曲菌独特繁殖调控与光磁感应机理,以及MPs、MK和CIT等主要次级代谢产物的生物合成途径及其调控机制的研究进展,并展望了红曲菌的未来研究方向,最后阐述了红曲行业面临的挑战及其应对策略.     

形成3α,5-环-6-甾酮的新方法

油菜内酯(brassinolide,1)是一个具有促进植物生长活性的甾体化合物。自1979年美国Grove等发表油菜内酯的X射线结构分析后,化学工作者在这方面做了许多工作,到目前为止已有不少油菜内酯及其类似物合成的文章。这一类化合物目前均是利用适当的天然甾体化合物作原料而进行合成的,其中甾体A、B环的结构改造和立体专一性地合成其侧链是整个合成工作的关键。在本文中,我们报道形成A、B环改造的关键中间体3α,5-环-6-甾酮的一种新方法。     

自然界发现催化[6+4]环加成反应的酶

<正>周环反应是一类不同于离子反应和自由基反应的通过环状过渡态进行的协同反应,如经典的Diels-Alder反应([4+2]环加成)、Cope-重排反应、Claisen-重排反应等,可以高效构建碳-碳和碳-杂原子键,在有机合成尤其是含有复杂多环骨架的天然产物的合成中有着广泛的应用.有意思的是,在天然产物的生物合成研究中,科学家经常推测通过周环反应途径实现相应的重要中间体或化合物的合成.虽然酶在其中的作用毋庸置疑,然而在过去的50多年     

合成微生物组:当“合成生物学”遇见“微生物组学”

合成微生物组是指运用合成生物学方法构建的功能菌群.合成微生物组以代谢通路模块化为核心特征,每个代谢模块的工作由一个菌株完成,从而实现多个菌株的分工与合作.与单菌株相比,合成微生物组具有降低菌株代谢负担与遗传改造难度、提供多样的元件表达平台、实现"即插即用"的模块替换等优势.在合成生物学与微生物组学快速发展、交汇融合的影响下,合成微生物组已成为近些年微生物领域新的研究热点,在生物合成平台化合物、复杂大分子以及生产生物燃料等方面具有广阔的应用前景.本文介绍了合成微生物组的设计原理与优势,总结了近些年的主要研究成果,阐述其目前面临的挑战与机遇,最后对其未来的发展进行展望.     

光学纯机械面手性轮烷及面手性大环化合物合成研究进展

近年来,面手性逐渐引起了多个领域科学家的关注.面手性结构单元广泛存在于多种活性天然产物和药物分子中,如机械平面手性轮烷和平面手性大环化合物.这两类结构在分子机器、分子识别、不对称催化以及药物研发等多个领域展示出了重要的应用价值.然而,由于机械平面手性轮烷和平面手性大环化合物的结构复杂性,合成这两类化合物仍然面临着较大挑战,且合成方法相对较少.因此,研究高效制备上述两类面手性化合物的新策略是非常有价值的研究方向.目前,合成化学家已发展了手性色谱分离技术、手性源诱导、过渡金属或酶催化的不对称环化反应等制备面手性化合物的策略.本文综述了制备光学纯机械面手性轮烷和面手性大环两类结构的研究进展,旨在启发从事相关领域的合成化学家发展更多高效合成面手性结构的新策略,从而为高效构筑机械平面手性轮烷化合物和平面手性大环化合物提供借鉴.     

(±)-13-Hydroxyneocembrene的全合成

(13Ｓ)＿Ｈｙｄｒｏｘｙｎｅｏｃｅｍｂｒｅｎｅ(1)是1988年由Ｓｕｌｅｉｍｅｎｏｖａ等[1]人从软珊瑚(Ｓａｒｃｏｐｈｙｔｏｎｔｒｏｃｈｅｌｉｏｐｈｏｒｕｍ)中分离出的一种西松烷型二萜天然产物.其结构可看作是白蚁性信息素Ｃｅｍｂｒｅｎｅ＿Ａ(2)[2]的羟基衍生物.有关1的全合成至今未见文献报道.在我们以前的研究中,曾利用相转移催化偶联反应和低价钛诱导的二羰基化合物的分子内环化反应为Ｃｅｍｂｒｅｎｅ＿Ａ提供了简便、有效的合成途径[3].本文选用6＿甲基＿5＿庚烯＿2＿酮和香叶醇为起始原料,经16步反应,完成了(±)＿13＿Ｈｙｄｒ…     

聚3-羟基丙酸及其共聚物的生物合成

3-羟基丙酸是重要的平台化合物,其聚合物是一种性能优异的新型可生物降解塑料,而且3-羟基丙酸与其他羟基脂肪酸形成共聚物时,可提高材料的延展性和生物降解能力.由于已知的生物都不能天然合成聚3-羟基丙酸,所以早期研究中聚3-羟基丙酸及含3-羟基丙酸单体的共聚物的生物合成都依赖于3-羟基丙酸或其结构相关前体,如丙烯酸、1,3-丙二醇等.这些价格昂贵的前体物质的使用,增加了聚3-羟基丙酸的生产成本.近年来,随着基因工程技术的应用,已有两条人工代谢途径可利用廉价碳源(如葡萄糖、甘油等)合成聚3-羟基丙酸,而且结构和单体比例可控的系列3-羟基丙酸共聚物也已成功合成.与使用结构相关前体相比,聚3-羟基丙酸及其共聚物的生产成本已大大降低,但仍然高于石化基塑料.目前,聚3-羟基丙酸合成研究的主要问题是如何进一步提高聚3-羟基丙酸及其共聚物的合成效率,降低生产成本.     

产黄青霉形态代谢工程研究进展

丝状真菌广泛应用于工业微生物发酵,其发酵形态的多样性和调控复杂性为业界广泛关注.本文对产黄青霉的形态、调控以及与产量相关性展开研究.通过一种有效菌丝形态图像处理方法,获得菌丝形态特征参数,并应用于产黄青霉的形态动力学分析;以低能离子注入和低温空气等离子体对产黄青霉进行了复合诱变选育,比较产黄青霉形态突变株与原始菌的形态差异,揭示菌丝形态与次级代谢产物合成的相关性;以Ⅲ类几丁质合成酶基因chs4为目的基因,通过RNA干扰构建形态突变株,发现形态突变株菌丝变得粗短、分枝增多,转化株青霉素产量明显高于原始菌,其中PcRNAi1-17和PcRNAi2-1的青霉素产量分别比原始菌提高27%和41%,为产黄青霉形态代谢工程研究奠定了一定的理论基础.     

肠道降脂药物新靶点SOAT2介导脂质摄取抑制和降脂作用

目前,已发现的靶向抑制肠道脂质摄取的降脂药物作用大多局限于胆固醇,达不到预期的降脂效果,且具有一定的副作用.因此,寻找能同时有效抑制肠道脂肪酸和胆固醇摄取的新药物及新靶点是可行的新策略.为了寻找和筛选对肠道脂质摄取具有抑制效应的天然化合物,本文构建了基于脂质摄取和转化的荧光高通量体外双评价体系.经过对104个天然化合物的筛选发现,盐酸小檗碱(BBR)的效应最为明显,且对肠道胆固醇和脂肪酸摄取的双重抑制作用均呈现时间-剂量依赖性.此外,随着剂量和处理时间的增加, BBR可以显著抑制酰基辅酶A:胆固醇酰基转移酶2(SOAT2)的表达.进一步通过SOAT2干扰实验证实, SOAT2特异性介导了BBR对脂质摄取的抑制作用,并发现SOAT2可能是同时调控胆固醇与脂肪酸摄取的关键靶点.因此,本研究通过利用高通量筛选体系,为降脂药物筛选提供了新策略,并提出肠道SOAT2可能是一种潜在的降脂新靶点,可用于筛选和寻找更安全有效的治疗药物,同时也为BBR的临床应用提供了新的证据支持.     

青蒿素合成生物学及代谢工程研究进展

青蒿素生物合成途径仅见于青蒿, 但其"上游"途径为真核生物所共有, 可望通过"下游"途径重建, 在真核微生物(如酵母)中全合成青蒿素. 过去10 年来, 青蒿素合成基因被国内外研究团队陆续克隆并导入酿酒酵母细胞, 已成功合成青蒿酸及双氢青蒿酸等青蒿素前体. 由于酵母缺乏适宜的细胞环境, 尚不能将青蒿素前体转变成青蒿素. 因此, 青蒿依然是青蒿素的唯一来源, 凸显出继续开展青蒿种质遗传改良的必要性. 我国科学家采用"开源"或"节流"等策略,已相继培育出多种转基因青蒿植株或品系, 为实现青蒿素的高产、稳产奠定了坚实的基础. 同时, 青蒿素生物合成的限速步骤尤其是终端反应机制已基本得到阐明, 有助于开展青蒿素形成与积累的环境模拟及仿生, 从而为彻底缓解青蒿素的供求矛盾创造先机. 本文最后讨论了产青蒿素前体微生物专利的作用及中国避免这些专利壁垒的方法.