聚酮类抗生素组合生物合成

聚酮化合物及其组合生物合成一、本文概述聚酮化合物是一类由聚酮合酶催化合成的重要天然产物，广泛存在于生物界中，并表现出多种生物活性，如抗菌、抗病毒、抗肿瘤等。

聚酮化合物的生物合成过程是一种复杂而精细的化学反应，涉及多个酶和辅因子的协同作用。

本文旨在深入探讨聚酮化合物及其组合生物合成的机制、方法与应用，以期为进一步理解和利用这类天然产物提供理论支持和实践指导。

文章首先将对聚酮化合物的结构特点、分类及生物活性进行概述，为后续研究奠定基础。

接着，将详细介绍聚酮合酶的结构与功能，以及其在聚酮化合物生物合成中的关键作用。

在此基础上，文章将重点探讨聚酮化合物组合生物合成的策略与方法，包括基因工程、代谢工程等手段在聚酮化合物合成中的应用。

文章还将对聚酮化合物及其组合生物合成的未来发展趋势进行展望，以期为推动该领域的研究与发展提供有益参考。

二、聚酮化合物的结构与性质聚酮化合物是一类具有广泛生物活性的天然产物，其结构多样性和生物活性使得它们在医药、农业、材料科学等领域具有广泛的应用前景。

聚酮化合物的结构特点主要由一系列线性或环状的酮基团组成，这些酮基团通过碳碳键连接，形成复杂的碳骨架。

在结构上，聚酮化合物可以根据其碳骨架的类型分为线性聚酮、环状聚酮以及大环内酯等。

线性聚酮通常具有长链结构，其碳骨架呈现出一定的柔性；环状聚酮则具有闭合的环状结构，具有较高的稳定性；大环内酯则是一类特殊的环状聚酮，其中包含一个或多个内酯键，使得分子呈现出独特的空间构象。

在性质上，聚酮化合物通常具有较好的热稳定性和化学稳定性，这使得它们在各种条件下都能保持稳定的生物活性。

聚酮化合物的生物活性往往与其结构中的特定官能团密切相关，如酮基、羟基、羧基等。

这些官能团的存在使得聚酮化合物能够与生物体内的靶标分子发生特异性相互作用，从而表现出抗菌、抗病毒、抗肿瘤等多种生物活性。

为了深入研究聚酮化合物的结构与性质之间的关系，科学家们采用了多种现代分析方法，如核磁共振、质谱、射线晶体衍射等。

2922008年第03期红曲霉聚酮类次生代谢产物的生物合成高蓝,李浩明(广东药学院,广东广州510006)摘要:红曲霉可产生多种聚酮类次生代谢产物,主要包括红曲色素、莫那可林K和桔霉素。

其中红曲色素广泛用于食品着色,莫那可林K用作降血脂的药物,而桔霉素则对脊椎动物包括人体有肾毒性。

本文对这几类聚酮类次生代谢产物的生物合成途径、生物合成相关的聚酮合成酶等方面的研究进展进行了综述。

关键词:红曲霉,聚酮类化合物,红曲色素,莫那可林K,桔霉素B i osynthesis of pol yketides i n M onascusGAO Lan,LI Hao-m ing(Guangdong Phar maceuti calUn i versity,Guangzhou510006,Ch i na)Abstrac:t Monascus spec i e s have the ab ili ty to p rod uce second a ry m e t ab olit es of po l yketi des1I nc l ud i ng M onasco rub ri n p i g m en,t w h i ch has been w i d e l y used as a natu ra l f ood-co l o ri ng agen t f o r m any ki nd s o f f ood s; M onaco l i n K,w h i ch has b een p roven to have cho l es t e ro l-l o w e ri ng e ff ec t s;and C i tri n i n,w h i c h i s m od era te l y neph ro t oxi c t o verteb rates i n c l ud i ng hu m ans1The res ea rch advances o f p o l yke ti d es b i o syntheti c pa t hw ay and c l on i n g of b i osynthe ti c g ene c l us t e rs for these p o l yke ti d es w e re r ev i e w ed1Key w ords:M onascus;p o l yke ti d e;Monascorub ri n p i g m en;t M onaco l i n K;C i tri n i n中图分类号:TS20113文献标识码:A文章编号:1002-0306(2008)03-0292-04Chem istry,2004,378(3):634~6411[14]D eryab i na M A,Y akov leva J N,P opova V A,et a l1D e ter m i nati on o f the herb icide acetochlor by fl uorescence po l ar izati on i m m unoassay[J]1Journa l o f Ana l y ti ca l Chem istry, 2005,60(1):80~851[15]Ere m i n S A,M urtazi na N R,Er m o lenko D N,e t a l1 P roducti on of po l yc l ona l antibodies and deve lop m ent o f fl uorescence po l ar izati on i m munoassay for sulfan ila m i de[J]1A nalytical L etters,2005,38(6):951~9691[16]Sh i m W B,K o l osova A Y,K i m Y J,et a l1F l uorescence po l ar izati on i m m unoassay based on a m onoc l onal anti body for t he detection o f ochratox i n A[J]1Internati ona l Jou rnal o f F ood Science and T echno l ogy,2004,39(8):829~8371[17]M ohamm ad S N,M ichael E J1D eve l op m ent o f a fluo rescence po l ar izati on assay for the deter m i nati on o f afl a tox insi n gra i ns[J]1A g ric1Food Chem,2002,50:3116~31211[18]Chr i s M M,R onald D P1R ap i d fl uorescence polar i zati oni m m unoassay for t he m ycotox i n deoxynivaleno l i n wheat[J]1A gr i c F ood Che m,2002,50:1827~18321[19]V i ncenzo L,M iche l ange lo P,A ng elo V1O pti m izati on of a fluo rescence po l a rization i m m unoassay for rap i d quantifi cation o f deoxynivaleno l i n duru m wheat–based products[J]1Journal o f F ood Protec tion,2006,69(11):2712~27191对于丝状真菌而言,聚酮化合物(po l yket i des, PK s)合成途径是其形成次生代谢产物的主要途径之一。

天然抗生素的合成和生物合成途径研究抗生素是一类可以杀灭或抑制细菌生长的药物，是治疗细菌感染病的有效工具。

然而，由于过度使用抗生素和滥用，对抗生素的耐药性问题逐渐严重。

因此，研究新型天然抗生素及其生物合成途径成为当下热门话题。

天然抗生素是由某些生物种类通过生物代谢合成而来，具有很高的生物活性和广泛的生物杀菌谱，是开发抗菌药物的宝贵资源。

目前，天然抗生素的生物合成途径研究已经取得了一定的进展，例如链霉素、卡波霉素、利福霉素等。

链霉素是目前应用广泛的一种广谱抗生素。

在链霉素的生物合成过程中，通过对各个生物过程的研究揭示了合成途径的分子机制。

链霉素是由18个基本的类十二烷基聚酰胺单元组成的，这些单元通过聚合形成骨架，然后被糖基化，生成链霉素。

糖化反应是由五种不同的糖化酶协同完成的，具有独特的生物合成方式。

卡波霉素是一种用来治疗热带疟疾的抗生素。

在卡波霉素的生物合成过程中，若干个酶通过催化特定反应生成一个多环戊烷衍生物，这个衍生物是合成卡波霉素的中间体，之后通过糖化反应形成完成合成。

这项研究丰富了我们对抗生素生物合成的认识。

利福霉素是一种用于治疗各种感染的半合成抗生素，广泛用于医疗实践中。

在利福霉素的生物合成过程中，首先是核苷酸环的代谢，之后通过一系列反应，生成利福霉素的中间体，最终形成合成成品。

这个生物合成途径的研究对于新型抗生素的探索有着非常重要的意义。

随着科学技术的发展，越来越多的生物合成途径已经被揭示。

未来，我们可以通过基因工程技术，利用这些已知的生物合成途径对天然抗生素进行合成，从而开发出越来越多更加有效和安全的新型抗菌药物。

同时，这些合成方法对于开发其他生物分子，例如蛋白质和药物等，在生物医学领域也有着广泛的应用。

新型抗生素的生产和基础研究随着抗生素的广泛使用和滥用，传统的抗生素越来越难以对抗新型的耐药菌株，这也就需要我们寻找新型的抗生素。

新型抗生素的生产和基础研究成为当前医药研究领域的热点。

一、新型抗生素的生产新型抗生素的生产一般分两个方面，分别是天然氨基酸-聚酮类生物合成和化学合成。

1、天然氨基酸-聚酮类生物合成聚酮类抗生素是来源于一些微生物，其中包括青霉素、四环素、红霉素等传统的抗生素。

这些抗生素的结构多来源于大分子化合物，这些大分子化合物是由大量的氨基酸组成的。

氨基酸和酰基载体有机会形成聚酮单元，通过不断加入和还原，进而获得一定程度的多样化结构。

要了解更多这方面的知识可以参考杨永刚等(2019)的文章《聚酮类抗生素天然生物合成及其研究进展》。

2、化学合成化学合成包括小分子合成和大分子合成，目前，研究人员又发现了一种比较新的方法，就是使用生物合成中的酶来进行有机合成。

这种方法叫做酶催化有机合成法，具有非常高的效率和精准度。

二、新型抗生素的基础研究提高新型抗生素研发的成功率需要我们更加深入对细菌的代谢、酶的催化机制、蛋白质互作等方面的研究，这些研究有助于提高新型抗生素的选择性、毒性、作用效果等性质，从而改善新型抗生素的性能。

以下是一些研究思路：1、探索新的模拟分子靶点在细菌代谢中，有许多重要的酶和酶反应，这些酶和酶反应也是新型抗生素的有效靶点。

其中，选择性抑制细菌特有代谢酶是一个很好的研究思路。

比如我国学者张俊峰等(2019)报道了一个灭活啉酸酶的啉酸合成酶中的AB-binuclear三氟丙酸络合物的晶体结构，研究发现这个三氟丙酸络合物与啉酸合成酶存在良好的拟合度，可能成为抗菌药物的发现靶点。

2、结合计算和实验方法研究新型抗生素与抗药性的作用机制为了能够预测小分子与机体大分子的相互作用，并为高效率的小分子设计提供更加科学的指导，计算方法成为了发现抗菌剂的主要方法之一。

同时，人们还发现将实验和计算方法相结合能够更加准确地预测分子的抗菌药物和酶催化能力。

聚酮类天然产物的生物合成途径1.引言1.1 概述概述部分的内容可以介绍聚酮类天然产物以及对它们生物合成途径的研究的必要性和重要性。

以下是一种可能的写作方式：聚酮类天然产物是一类在自然界中广泛存在的化合物，它们具有多样的生物活性和药理学特性。

这些化合物以其独特的分子结构和广泛的应用领域而备受关注。

在过去几十年里，许多研究人员致力于揭示聚酮类天然产物的生物合成途径，以便利用这些途径合成这些化合物的方法。

聚酮类天然产物可以从不同来源获得，包括植物、动物和微生物。

它们具有多种生物活性，包括抗菌、抗肿瘤、抗炎和抗病毒活性。

因此，研究聚酮类天然产物的生物合成途径对于开发新药物和解决治疗难题具有重要意义。

生物合成途径是研究生物体内特定化合物的合成机制和途径的科学领域。

通过深入理解聚酮类天然产物的生物合成途径，可以为我们提供合成这些化合物的有效方法。

此外，还可以通过遗传工程和基因组学方法来改造产生这些化合物的生物体，以提高产量和改良结构。

这样，我们就可以更好地满足聚酮类天然产物的需求，以及各种应用领域的需求。

本文将深入探讨聚酮类天然产物的生物合成途径。

通过综合和分析当前的研究现状，我们将介绍已经揭示的合成途径，并展望未来可能的研究方向和应用前景。

通过对聚酮类天然产物的生物合成途径的探索，我们可以更好地理解这些化合物的生物学功能和作用机制，并有望为药物研发和生物工艺学的发展带来新的突破。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构部分主要介绍了整篇文章的组织结构和各个部分的内容概要。

在本文中，我们将按照以下结构展开讨论：引言、正文和结论。

引言部分向读者介绍了本文的研究背景和重要性，并提供了文章的目的。

正文部分分为两个子部分：聚酮类天然产物的定义和分类以及聚酮类天然产物的重要性和应用。

通过对聚酮类天然产物进行定义和分类的介绍，读者可以更好地了解这一类化合物的特点和种类。

在聚酮类天然产物的重要性和应用部分，我们将探讨这些化合物在药物、农业和工业等领域的广泛应用，并介绍它们在科学研究和经济发展中的价值。

聚酮合类药物和聚酮合酶一、聚酮类药物聚酮类化合物是由简单脂肪酸在聚酮合酶催化下经过类似长链脂肪酸的合成途径生成的，其中心骨架是通过丙二酸(或有取代基的丙二酸)硫酯重复的脱羧缩合而形成的。

包括聚次甲基酮基团( (CH2一CO)n)化合物及其加水、脱水或者脱羧的衍生物。

常见的聚酮类药物主要有洛伐他汀、阿霉素、红霉素、四环素、两性霉素、南昌霉素、普拉固（普伐他汀）等二、聚酮合酶聚酮合成酶通过催化前体物质进行反复的缩合反应,可以形成多种聚酮体,再经过甲基化、氧化还原、糖基化等修饰反应形成各种各样结构复杂的聚酮类化合物。

尽管聚酮类化合物在结构上是多样的,但其生物合成有其共同的机制,其核心结构均由聚酮合酶催化合成。

根据聚酮合酶的结构及其它性质,聚酮合酶被分成Ⅰ型(typeⅠPKS,又称模件型)、Ⅱ型(typeⅡPKS,又称迭代型)和Ⅲ型(typeⅢPKS,查尔酮型)3大类。

Ⅰ型PKSⅠ型PKS是以模块形式存在的多功能酶,每一模块含有一套独特的、非重复使用的催化功能域,其非重复使用的催化功能域与聚酮生物合成的反应顺序呈线性对应,主要催化合成大环内酯类、聚烯及聚醚类化合物。

Ⅱ型PKS 1984年Malpartida和Hopwood首次报道了Ⅱ型PKS是一个多功能酶复合体,只包含一套可重复使用的结构域,每一结构域在重复的反应步骤中都多次地用来催化相同的反应。

Ⅲ型PKSⅢ型聚酮合酶(TypeⅢPKSs)以植物中的查耳酮合酶为代表(chalcone synthases)。

1999年,Funa等发现了一种类似苯基苯乙烯酮合成酶的PKS(chalcone synthase-like PKS)———Rp-pA,后来被称为Ⅲ型PKS。

Ⅲ型PKS和其它两种PKS迥然不同,它在不需要ACP的情况下直接催化泛酰辅酶A间的缩合,主要负责单环或双环芳香类聚酮化合物的生物合成。

全球现在已有两个聚酮合酶数据库，一个是印度国家免疫学研究所的Yadav G等人于2003年构建的PKSDB数据库；另一个是在PKSDB数据库基础上，韩国SmallSoft公司Tae H等人对PKSDB数据库加以改进和补充，在2007年构建的ASMPKS数据库。

聚酮化合物及其生物合成摘要：聚酮化合物的生物合成是当前国际化学与生物学交叉学科研究的热点之一，也正在发展成为药物创新超常规的重要手段。

合成聚酮类化合物的方法有很多，但应用最多的是组合生物合成方法，因而本文主要是对这种方法的介绍，特别是I型聚酮化合物的组合生物合成的常用技术和方法学发展进行了详细解说。

关键词：聚酮化合物；聚酮合酶；生物合成一、聚酮化合物及其聚酮合酶聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。

如今，这一化合物越来越为人们所重视，这主要是由于该化合物具有：(1)无可比拟的生物学活性使之具有巨大的新药物开发潜力和商业价值，聚酮化合物所形成的药物已用于几乎所有重要的疾病治疗，每年的销售额超过了100亿美元；(2)独特的结构和合成机制为人们研究酶催化的分子机制、分子识别和蛋白质的相互作用提供了空前的契机；(3)聚酮合酶所具有的可塑性可以使人们方便地通过组合生物合成手段来获得新的化合物。

目前已发现了不少于10000种聚酮化合物，而由之衍生出的新产物更是难以记数。

聚酮化合物是功能和结构最多样化的天然产物之一，它们的合成包括酰基辅酶A活化羧酸的一系列重复的醇醛缩合而形成有一定长度的聚酮链骨架，然后经过环化或者芳香化、或者与脱氧糖等结构单位连接等过程。

尽管聚酮化合物的结构和特性千差万别，总的来说它可以分为两大类：芳香族聚酮化合物和复合聚酮化合物。

前者是乙酸通过缩合(起始单位除外)形成的大部分β-酮基在酰基链的延伸和完成后都一直保持非还原状态，经过折叠和醇醛缩合形成六元环，芳香环随后被脱水还原，如放线紫红素、柔红霉素、四环素。

聚酮化合物及其组合生物合成聚酮化合物是一类特殊的有机分子，它们通过有机酰胺和羰基的叠加而形成的醛或酮基团的骨架组成，其结构和性质非常复杂，具有广泛的应用价值。

聚酮衍生物在药物开发、产品开发、精细化工及环境保护等领域具有重要的应用价值。

聚酮化合物的组合生物合成是利用晶体结构中的复杂化学反应，将一系列不同的构建块（如碳氢、氧、氮、磷等）合成一系列真正的复杂结构，从而产生一定的功能性的聚酮化合物。

聚酮化合物的组合生物合成可以归纳为以下几个步骤：首先，从其他不同的原料中构建一系列的构建块。

其次，通过选择不同的诱变剂进行构建，从而产生一系列的特殊的反应拼接，如醛活化、羰基活化，以及其它定向缩合反应，最终形成特定的多聚酮类化合物。

此外，聚酮化合物组合生物合成还可以利用特定因子（如光、电磁波、热和物理压力）来促进不同官能团之间的诱导偶联机制，以及特定的组合以产生不同的功能性材料。

最后，聚酮化合物组合生物合成利用不同的调节因子（包括助催剂、活性剂、电石、PH调节剂等）对反应加速，达到最终的生物产物（如抗生素、蛋白质衍生物、农药、功能性材料等）。

聚酮化合物的组合生物合成技术结合了复杂的有机化学反应和生物学反应，并具有许多有益的优势，例如：（1）可以通过组合合成的方法大大减少产品的合成时间；（2）可以清晰的控制反应过程，从而获得高纯度的产物；（3）能够大大提高产品的安全性和有效性；（4）大大降低产品的合成成本。

聚酮化合物的组合生物合成技术具有广泛的应用前景。

随着材料科学技术的发展，科学家逐步完善了组合生物合成技术，从而开发出新型的抗生素、多聚酮醚化合物和抗菌药物，从而大大促进了高效的药物开发。

此外，聚酮化合物组合生物合成技术还可以广泛地应用于食品、医疗保健、精细化工和环境保护等领域。

微生物的抗生素产生抗生素是一类可以杀死或抑制微生物生长的药物，被广泛应用于临床医疗和农业领域。

然而，你是否知道这些抗生素的大多数都是由微生物自身产生的呢？不同种类的微生物都可以通过不同的生物合成途径产生抗生素，本文将对微生物的抗生素产生进行探讨。

一、微生物抗生素的来源微生物包括细菌、真菌和放线菌等，它们广泛存在于土壤、水体、空气等各个环境中。

这些微生物通过化学物质的合成来与周围的生物进行交流和相互作用。

在与其他微生物的竞争中，一些微生物通过产生抗生素来杀灭或抑制周围竞争者的生长，从而获得更多的生存空间。

二、微生物抗生素的合成途径微生物抗生素的合成途径通常可以分为两类：非蛋白质合成途径和蛋白质合成途径。

1. 非蛋白质合成途径非蛋白质合成途径是一种主要通过化学反应产生抗生素的合成途径。

其中，酚酸途径、马来酸途径和异戊二酸途径是常见的非蛋白质合成途径。

酚酸途径：酚酸途径是一种通过苯基丙酸合成青霉素等类似抗生素的途径。

在这个途径中，微生物首先合成苯丙氨酸，然后将其转化为酚酸，最后在一系列化学反应中形成抗生素。

马来酸途径：马来酸途径是一种通过马来酸合成链霉素等类似抗生素的途径。

微生物首先将异丙酸转化为丙烯醇，然后将丙烯醇与无机磷酸化学反应生成马来酸，最后通过一系列酶催化反应形成抗生素。

异戊二酸途径：异戊二酸途径是一种通过异戊二酸合成青霉素、头孢菌素等类似抗生素的途径。

微生物通过异戊二酸合成以及一系列化学反应，最终合成抗生素。

2. 蛋白质合成途径蛋白质合成途径是一种通过酶催化反应合成抗生素的途径。

其中，聚酮酸途径和壳多糖途径是典型的蛋白质合成途径。

聚酮酸途径：聚酮酸途径通过合成一系列单体，然后通过酶催化反应将这些单体聚合形成聚酮酸。

聚酮酸经过后续化学反应，最终形成抗生素。

壳多糖途径：壳多糖途径是一种通过酶催化反应合成壳多糖类抗生素的途径。

微生物通过合成多糖骨架，并在骨架上添加不同的糖基，形成不同种类的壳多糖类抗生素。

聚酮类化合物及其应用农业基础科学现代农业科技2011年第3期聚酮类化合物及其应用冯健飞周目成郭兴庭张扬(南京农业大学生命科学学院,江苏南京2100()}:物遗传与种质创新国家重点实验室)摘要由微生物和植物产生的聚酮类化合物(PK)的数量庞大,是一大类结构多样化和生物活性多样性的天然产物.已经成为新药的重要来源.综述了3种类型聚酮类化合物生物合成基因簇的特点,即以模块形式存在的I型聚酮合酶,包含一套可重复使用结构域的Ⅱ型聚酮合酶以及不需要ACP参与,以植物中的查耳酮合酶为代表的Ⅲ型聚酮合酶.介绍了近年来组合生物合成技术的基本原理,聚酮合酶的基本作用机制以及合成途径的研究进展.关键词聚酮类化合物;应用:组合生物合成:微生物药物中图分类号R978.1文献标识码A文章编号1007—5739(2011)03—0024—03 PolykefideandItsAppl~afionFENGJian-fei'ZHoURi—chengGUOXing-tingZHANGY ang (LifeScienceCollege,NanjingAculturalUniversity,NanjingJiangsu210095;.StateKeyLa boratoryofCropGenetics&GermplasmEnhancement) AbstractThepolyketidesfrommicroorganismsandplantwhicharecompriseofalargeandstr ucturallydiversefamilyofbioactivenaturalproducts,arestillindispensablefordrugdiscovery.Threetypesofpolyketidesynthasewereb rieflyintroduced,includingthemodular(TypeI)PKS,TypeIIpolyketides,inthesynthesisofwhichasetofdiscretemonofunctionalproteinswerere peatedlyemployedandType11tPKSs(chalconesynthase-likeprotein)thatdoesnotrequireacyl-carrierproteins(ACPs).Thestatusofcombinatorialbiosynthesistechnologyinmicrobialmedicine researchesincludingpolyketidesandthemachineriesofthreetypesofpolyketidesynthasew erealsomentionedinthispaper.Keywordspolyketide;application;combinatorialbiosynthesis;microbialmedicine微生物种类繁多,其产物化学结构丰富,生物活性十分广泛,是开发各种新产品的丰富资源,但是传统的筛选方法已远不能满足社会发展的需要.随着分子生物学和生物技术的发展以及基因组学,蛋白质组学,生物信息组学,特别是代谢组学研究的进一步深入,人们对微生物基因组的研究也有了显着进展.国内外专家已经阐明了许多与微生物代谢有关的生物合成基因,从而为微生物药物研究新方法的应用奠定了良好基础【l-41.近年发展起来的组合生物合成技术可以在微生物正常代谢途径的基础上合成许多新的非天然化合物.聚酮类化合物是由聚酮类化合物生物合成途径合成的化合物的总称.包括大环内酯类,四环素类,蒽环类,聚醚类等的化合物.由于生物合成途径中构件的改变及其组合方式干变万化,可形成的化合物的数量极其庞大.结构的多样性导致了生物活性的多样性.每年聚酮来源-的药物的销售额达80亿美元.通过研究聚酮生物合成途径而发展起来的组合生物合成近几年取得了很大的发展,是获取生物多样性的重要手段.成为新药开发的重要策略之一.1抗生素中的聚酮类化合物抗生素(antibiotics)是由微生物(包括细菌,真菌,放线菌属)或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物,能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质.由于抗生素耐药性及化疗药物毒副作用的存在,促使人们不断发现新的抗生素类药物.但从天然产物中寻找活性强,毒性低的抗生素越来越困难.因此.科学家求助于组合生物合成技术合成新的"天然产物"用于新药的发现.运用组合生物合成技术通过对抗生素或其他"天然产物"生物合成途径中合成酶基因的操纵,实现对先导化合物结构改造及合成非天然的"天然产物".在天然产物,尤其是聚酮类收稿日期2011-O1—0424化合物生物合成的研究中,组合生物合成技术大有作为.聚酮化合物是由细菌,真菌,放线菌或植物所产生的一大类天然产物,是用于人类疾病治疗的重要药物之一.由于其重要的生物活性在临床应用中可以作为抗生素(如红霉素,erythromycinA),抗真菌剂(如两性霉素,amphotericin B),抗癌药物(如多柔比星,doxorubicin),抗寄生虫剂(如阿维菌素,avermectins,杀虫剂(如多杀菌素,spinosynA)以及免疫抑制剂(如雷帕霉素,rapamycin)等.聚酮化合物是次级代谢产物中最大的一类,包括大环内酯,四环类,蒽醌类和聚醚类在内的许多化合物.由于这些化合物在抗感染,抗真菌,抗肿瘤,免疫抑制等方面的巨大应用价值,吸引了各国科学家对该类化合物生物合成途径进行深入研究,以期获得利用基因工程方法改造和合成聚酮化合物的资料.由于聚酮化合物的特殊结构和合成机制,非凡的多功能性和可塑性使得人们可以通过组合生物合成方法便捷地获得由其他方式难于得到的新化合物.应用组合生物合成的方法直接地对聚酮化合物生物合成途径中涉及的一些酶的编码基因进行操作,如模块/结构域的增加,减少,替换等, 产生一些非天然的基因组或杂合基因而可能改变原有的生物合成途径,从而可间接地对聚酮化合物的生物合成进行调控,以获取大量新的聚酮化合物或其衍生物.2聚酮生物合成酶的分子机制微生物的次级代谢产物生物合成由多酶体系参与,这些多酶体系中的各个酶系按照一定组织结构协调起作用.聚酮类化合物是由细菌,真菌,放线菌或植物等产生的一大类天然产物,结构多种多样,但其生物合成有着共同的机制,即均由多酶体系——PKS催化.据国内外最新研究报道,目前所发现的PKS大体上可归纳为PKSI,PKSII,PKSRI 等3种类型,现着重介绍这3种类型PKS的结构性质,作用冯健飞等:聚酮类化合物及其应用机制及其生物合成途径的改造研究情况.2.1PKSIPKSI主要由酮基合成酶(ketosynthase,KS),烯醇还原酶(enoylreductase,ER),酰基转移酶(acyhransferase,AT),脱氢酶(de—hydratase,DH),酮基还原酶(ketoreductase,KR)等功能域组成.KS,A T和ACP是链延伸反应的"最小PKS".由AT选择1个延伸单元(extendingunit),通常为乙酸或丙酸,连接到链上,KS催化缩合反应,ACP吸住链并接收从A T而来的延伸单元,以备下一步缩合反应.属于PKSI的聚酮产物包括雷帕霉素,红霉素,利福霉素和阿维菌素以及新研究的洛伐他汀和埃波霉素.2.1.1红霉素.红霉素是PKSI产物的典型,也是目前研究最为透彻的.它的PKS具有模块式结构,由3个蛋白(DEBS1,DEBS2,DEBS3)组成,分别由ewAI,eryAII,eryAUl基因编码,且每个蛋白由2个延伸模块(extendingmodule)组成,加上1个起始模块(AT—ACP,loadingdomain,LD),共有7个模块.每个延伸模块至少含有KS,A T和ACP等3个基本功能域.某些模块还包含KR,DH和ER等功能域.模块M2,M3,M6,M7有KR功能域:模块M5有KR,DH和ER 功能域;而模块M4仅有最小PKS,且不含任何还原性功能域.模块M2由AT—ACP开始,该AT—ACP域称为荷载域,使链的延伸由丙酰CoA开始,M2一M7连续加入6个丙酸延伸单元,使链延伸,而延伸完成的长链由硫酯酶(thioesterase, TE)功能域催化环化成红霉素的前体6一脱氧红霉内酯B (6-deoxyerythronolideB,6-DEB).2.1.2其他较新的PKSI型组合生物合成聚酮类化合物.最近2年,国外许多公司已经利用组合生物合成技术对一些天然化合物进行改造,从而得到一些非天然活性化合物.如美国加州高新技术产业公司(Kosan生物技术公司)的埃波霉素已进入1期临床.这些结果表明,不同来源的功能域并没有底物专一性,而根据克隆的不同基因最终获得的产物与预计无明显差别,说明这些功能域在不同PKS中都能发挥相应的酶催化活性,为组合生物合成的进一步发展奠定了基础.利用该技术可以得到许多"非天然"具有活性的化合物,该技术的深入应用将依赖于抗生素生物合成基因簇结构与功能的阐明.2.2PKSⅡPKSII又称迭代或芳香(iterative)类PKS,其主要合成芳香族的化合物,如蒽环类及四环类化合物等.大部分PKSII型基因由编码最小单位PKS的3个阅读框架组成,即KS/A T,ACP和CLF(链长决定因子).在生物合成芳香族化合物过程中它们被重复使用,因此又称为迭代型PKS(iterative PKS);此外还有KR,芳香化酶(aromatase),环化酶(cyclase)等的参与.属于PKSII的聚酮化合物有放线紫红素(acti—norhodin,act),四并菌素(tetracenomycinc,tem)和富伦菌素(frenoliein,fren)等.2.2.1放线紫红素.芳香族化合物PKSU基因组合生物合成产物的原则是单个基因组合.以放线紫红素为例,其生物合成的途径是以乙酰CoA为起始,7个丙二酰CoA为延长单位,经PKS最小单位合成16碳链,其可以自发地环化形成中间产物,但在KR作用下第9位碳酮基被还原,并形成C7～C12环,在芳香酶的参与下形成第1个芳香环,然后再由环化酶催化形成第2个环,经后修饰形成放线紫红素. 研究发现,ACP对链的长短不起作用,主要由CLF决定碳链长度,进一步研究表明,KS中54个残基和CLF共同决定碳链的长度.Ⅱ型PKS的机制不如I型了解得透彻,Ⅱ型产物在结构多样性上比I型更少.研究表明,许多芳香族聚酮化合物生物合成PKS基因簇中,均含有酮基还原酶KR基因.不论碳链长短(C8～c24),KR基因均可催化聚B一酮体C9位羰基的还原,说明PKSlI型酮基还原酶催化位点有区域特异性.但也有2个例外.在8一酮体和11-酮体中C7位羰基被还原.2.2.2其他PKSⅡ型产物.近几年,国外研究者发现了其他几种微生物药物的生物合成酶基因簇也属于PKSII型,这为进一步对其进行组合生物合成奠定了基础.2.3PKSIllPKSIll的典型为查尔酮合成酶(ehMeonesyn—thaw,CHS) 类,是一种可重复使用的同源双亚基蛋白,在不需要ACP的情况下直接催化泛酞辅酶A间的缩合,其主要负责单环或双环芳香类聚酮化合物的生物合成,例如flavolin.CHS属PKS,与脂肪酸及其他PKS相同,催化丙二酸单酞辅酶A的脱竣醇醛缩合.与其他PKS的最大差别在于直接以游离的丙二酸单酞辅酶A作底物,无论是PKSI型或Ⅱ型均需要通过酞基转移酶4'-phosphopantetheine残基将丙二酸单酞辅酶A或其衍生物转移至KS上;另外,从酶的氨基酸序列来看,CHSs与其他PKSs和FASs均不相同. CHS以香豆酞基辅酶A为起始单元,以3分子的丙二酸单酞辅酶A作底物,连续完成3步脱羧醇醛缩合,其所生成的四酮经环化产生柚配基查耳酮(naringeninehaleone),该化合物为花青苷类色素(anthocyaninpigment)和植物黄酮(plan—tflavonoid)的前体.CHS基因最早从欧芹(parsley,Petroseli—numhortense)中克隆出来.该类仅分布于高等植物的PKS是一庞大的家族.不仅包括来源于被子植物和裸子植物的CHSs,还包括与CHSs相关的1,2一二苯乙烯合成酶(stil—benesynthases,STSs).这2类酶的氨基酸序列有65%相同,并且合成相同的四酮.然而,SISs释放的四酮在环化时发生脱羧反应,从而生成与查耳酮不同的产物1,2一二苯乙烯. 尽管3类PKS存在结构和机制上的差异,但从本质而言均是由KS功能域(I型)或蛋白亚基(II或Ⅲ型)催化泛酞辅酶A间的脱羧一缩合反应以形成C—C键.基于PK天然产物的独特化学结构以及良好生物活性,研究其生物合成机制,为合理化遗传修饰生物的合成途径获得结构类似物提供遗传和生物化学的基础.以实现利用现代生物学与化学技术手段在微生物体内进行药物开发的目的.3组合生物合成聚酮类化合物组合生物合成(combinatorialbiosynthesis)即通过基因工程的手段,有目的地改变自然产物的生物合成途径,其通过自然生物合成途径(生物体中)形成新结构的产物,这些人为产生的新结构化合物按照人们实验的预期表现出新的功能或活性.最早由Hopwood等证明了组合生物合成的可行性, 25农业基础科学现代农业科技2011年第3期他们克隆了抗生素actinorhodin的生物合成基因,并将其中的模块重组至抗生素medermycin和dihydrogranaticin的生物合成基因中,通过改造的生物合成途径得到了新化合物.由于I型PKS的结构特殊性,即基冈顺式构成了结构域和模块的二级组织方式,适合组合生物合成的研究.典型的I型PKS是由催化亚单位即模块组成的大型酶复合物, 多个模块按照线性装配线的形式排列.加载模块负责起始底物的加载和激活,然后每个延伸模块催化一步链的延伸反应,将延长单位加入链中.每个延伸模块至少包括3个催化区域,即:酮缩酶(ketosynthase,KS)负责催化双碳单位的缩合反应使聚酮链得以延长;酰基转移酶(acyhransferase, AT)负责底物选择,激活和转运;酰基载体蛋白(acy]cartier protein,ACP)结合延长的聚酮链.另外,还可能要加上的酮基还原酶(ketoreductase,KR),脱氢酶(dehydratase,DH)和烯酰基还原酶(enoylreductase,ER)结构域等对聚酮链进行修饰.最后以负责碳链释放的硫脂酶(thioesterase,TE)结构域结束.通过有目的地对I型PKS的各种模块重新编排,缺失,互换,失活等基因操作,形成的杂合PKS可催化产生新结构的聚酮化合物.例如通过组合生物合成改造的红霉素变体已有数十种.同时.由于模块型PKS结构和功能上的特点,聚酮化合物的组合生物合成现已经可以通过软件进行预测设计,如Zotchev等设计软件对大环内酯组合生物合成进行预测,使聚酮化合物的组合生物合成可以更理性地进行. 4结语综上所述,聚酮化合物有许多优越性,例如其生物学活性使其具有巨大的新药物开发潜力和商业价值.聚酮化合物形成的药物已用于许多重要的疾病治疗,每年的销售额超过100亿美元;独特结构和合成机制为研究酶催化的分子机制,分子识别和蛋白质相互作用提供了很好的契机:聚酮合酶的可塑性可以使人们方便地通过组合生物合成手段获得新的化合物.聚酮化合物越来越被人们所重视,被广泛地应用于医药,畜牧和农业.可以预见,随着蛋白质工程的发展,改变酶的专一性可获得更多候选药物;如果更多合成酶被发现和利用,将有更多的结构多样性化合物产生.更多的非天然,天然药物将会应用于医疗领域,同时也可缓解目前抗生素耐药性问题.5参考文献【1】刘炳辉,曹远银,闰建芳,等.聚酮类化合物生物合成基因簇与药物筛选[J】.生物技术通报,2008,2(4):30-一-33.【2】朱宝泉,胡海峰.微生物药物研究中新技术和新方法的应用[J】.中国天然药物,2004,2(4):193—198.[3】刘文,唐功利.以生物合成为基础的代谢工程和组合生物合成fJ】.中国生物工程杂志,2005,25(1):1-5.14】孙宇晖,邓子新.avermectin生物合成基因簇的研究进展【j].国外医药抗生素分册,2001,22(3):108-一ll2.【5】苏建亚,沈晋良.阿维菌素的牛物合成与途径工程【J】.生物技术通报, 2003,20(6):18-一-23.【61I高蓝,李浩明.洛伐他汀生物合成及其相关基因研究进展[J】.药物生物技术,2005,12(3):201—206.[7】SHENB.PolyketidebiosynthesisbeyondthetypeI,ⅡandIllpolyketide synthaseparadigms[J].CurropinChemBio,2003,7(2):285一-295.[8】MALPARTIDAF,HOPWOODDA.Molecularcloningofthewholebios- yntheticpathwayofaStreptomycesantibioticanditsexpressionina heterologoushost[J].Bioteehnology,1992(24):342.(上接第23页)保监测数据准确,规范,通过长期数据积累,建立准确的有害生物生态学模型.(3)采取先进的生物管理技术,维护生态系统健康122-241.生物灾害管理,重在促进和维护生态系统的健康,其次是实时发现非健康的生态系统,并及时采取必要的管理措施,使其尽快恢复健康:加强生态嗌管,确保生态系统处于健康状态;及时掌握生态系统健康状况,促进亚健康状态的生态系统恢复健康;利用生态系统的自我补偿能力,实现有害生物精确管理;必要时,采用先进的人工干扰技术,及时恢复生态系统健康;加强检疫管理,防止有害生物通过人为方式扩散.3参考文献【1】张国庆.生物灾害管理理论研究[EB/OL].(2008-04-30)[2010--05-02]. http://www.sciencenet.en/blog/user_content.aspx?id=23611.【2】张国庆.生物灾害管理基本原理【EB/0L】.(2010-04-21)[2010-09—13]. http:/blog/user_content..aspx?id=314524.【3】张国庆.生态健康与有害生物管理[J】.中国园艺文摘,2008(3):40—41.【4】丁岩钦,丁雷.害虫管理学理论与方法【M】.北京:科学出版社,2005. 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