2023年7月17日，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所唐功利研究員課題組與合作團隊在Nature Catalysis（《自然？催化》）上在線發(fā)表了題為“Enzymatic catalysis favours eight-membered over five-membered ring closure in bicyclomycin biosynthesis”的研究論文（https://doi.org/10.1038/s41929-023-00987-4），報道了自然界天然產(chǎn)物生物合成中酶催化八元氧雜橋環(huán)形成的新機制。

　　八元氧雜環(huán)是天然產(chǎn)物中重要的結(jié)構(gòu)單元，其極大地豐富了天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和活性多樣性。盡管目前不少催化八元氧雜環(huán)形成的酶被報道，但大多數(shù)的研究都停留在酶的挖掘鑒定以及基于功能研究推測催化機制的階段。

　　雙環(huán)霉素（Bicyclomycin，BCM）是從鏈霉菌中分離獲得的一種具有顯著抗革蘭氏陰性菌活性的二酮哌嗪類生物堿，也是目前已知的唯一來源于天然產(chǎn)物的轉(zhuǎn)錄終止因子Rho蛋白的選擇性抑制劑，其結(jié)構(gòu)中包含天然產(chǎn)物中少見的[4.2.2]-氧雜橋環(huán)骨架、C1三羥基基團和C5=C5a環(huán)外亞甲基基團。作為一種具有橋環(huán)三維結(jié)構(gòu)和脂肪鏈高度氧化修飾的活性天然產(chǎn)物，雙環(huán)霉素自發(fā)現(xiàn)以來引起了有機化學(xué)家和生物化學(xué)家的廣泛關(guān)注。

　　在先前的研究工作中，唐功利研究員課題組采用體外重構(gòu)所有酶催化反應(yīng)的策略，全面解析了雙環(huán)霉素的生物合成途徑（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 719.），發(fā)現(xiàn)八元氧雜橋環(huán)的構(gòu)建由非血紅素Fe^II/α-酮戊二酸依賴的雙加氧酶BcmB負責(zé)完成。在本項研究中，唐功利課題組與中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院周佳海研究員課題組、南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院梁勇教授課題組和中國科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心楊晟研究員課題組合作，通過體外酶催化分析、化學(xué)合成實驗、蛋白晶體結(jié)構(gòu)解析、定點突變、以及理論計算等研究，深入闡明了雙環(huán)霉素八元氧雜橋環(huán)形成的具體機制（圖1）。作者發(fā)現(xiàn)多功能氧化酶BcmB催化連續(xù)的脫氫、環(huán)氧化、以及分子內(nèi)關(guān)環(huán)（環(huán)化）反應(yīng)構(gòu)建雙環(huán)霉素的八元氧雜橋環(huán)。更重要的是，在這酶催化的分子內(nèi)關(guān)環(huán)反應(yīng)中，存在一種八元環(huán)和五元環(huán)成環(huán)競爭的現(xiàn)象，而酶的關(guān)鍵殘基通過非共價保護的機制使得化學(xué)上易于發(fā)生的五元環(huán)化反應(yīng)逆轉(zhuǎn)為了較難發(fā)生的八元環(huán)化反應(yīng)。該研究工作豐富了我們對天然酶精準(zhǔn)控制成環(huán)選擇性的認(rèn)識，也為氧雜中環(huán)體系的選擇性構(gòu)建提供了新的啟示。

　　圖1 雙環(huán)霉素生物合成中酶催化八元氧雜橋環(huán)形成的機制

　　中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所唐功利研究員、深圳先進技術(shù)研究院周佳海研究員和南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院梁勇教授為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所賀俊斌博士、中國科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心已畢業(yè)博士生吳聯(lián)、南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院魏婉清博士為該論文共同第一作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費和江蘇省自然科學(xué)基金等項目資助。