微生物所吳邊團隊在Biotechnology Advances發表微生物催化氮雜環合成的綜述

中國生物技術網

中國科學院微生物研究所

碳和氮是豐度最高的核心生命元素，探究生物體系內的碳氮成鍵反應可為生命起源和生物代謝路徑演化與調控機制等重大科學問題提供線索。氮雜環化合物作為碳氮成鍵反應的重要產物類型，廣泛參與了生物的遺傳與代謝；同時也被應用於醫藥、農業和食品等諸多產業領域（圖1）。據統計，目前全球銷量前200的藥物中，約有三分之二含有氮雜環官能團。鑒於氮雜環的重要性，微生物學家一直在探索該類化合物的生物合成機制與人工合成途徑的設計。

圖1 （a）天然產物、（b）天然藥物、（c）合成藥物中的典型氮雜環

中國科學院微生物研究所吳邊研究員在國家自然科學基金優秀青年科學基金項目的資助下開始微生物碳氮成鍵酶的機制解析與功能重塑的研究。

近年來，他的團隊在微生物催化氮雜環合成方向取得了系列原始創新成果。他們將氨基酸合成途徑與芳香化合物氧化途徑進行偶聯，運用合成生物學原理，設計出了直接從基礎生物原料葡萄糖到芳香類氮雜環化合物的新型人工合成途徑，並構建出了相應的人工合成微生物組，為合成生物學與微生物組學的融合應用提供了新的方法和思路（Adv. Sci. 2020, 2001188）。

他們使用計算機設計的方法，通過精細的氫鍵調控，重構了完整的酶活性中心結合區域，從而突破了生物體系內氫胺化反應非天然底物無法兼容的瓶頸，成功創造出了超廣譜氫胺化平台，並由此設計出內酰胺環的級聯合成反應（Nat. Catal. 2021, 364）。

他的團隊還與微生物研究所的陳義華研究員的團隊合作，通過引入次級代謝催化元件的方法，對生命氧化還原過程的核心氮雜環分子NAD的從頭合成機制進行了解答，為生命核心代謝途徑之間的解偶聯提供了新思路（Adv. Sci. 2021. 2004632）。

近期，該團隊與天津工業生物技術研究所江會鋒團隊合作在《Biotechnology Advances》上發表綜述論文，總結了微生物催化合成氮雜環領域的最新進展和未來趨勢。

此綜述首先對天然氮雜環化合物成環的關鍵酶進行了歸納與梳理，之後對轉氨酶、亞胺還原酶、單胺氧化酶等工業酶參與的氮雜環成環反應，以及人工設計的多酶與化學酶法合成途徑進行了總結。最後，對微生物催化合成氮雜環的目前所面臨的局限進行了簡述，並對未來的發展前景提出了相應見解。

近年來，受益於微生物基因信息大數據挖掘、酶工程與合成生物學所帶來的技術革命，氮雜環化合物合成的酶學機制日益清晰，可用於氮雜環合成的酶數量顯著增加，合成方式不再局限於單一酶催化反應，開始向複雜代謝途徑發展。

然而，領域內一直以來並沒有相應的綜述予以總結。該綜述系統總結了相關研究與科學展望，為微生物催化氮雜環合成領域的發展提供了支持。

中國科學院微生物研究所吳邊研究組的豐婧博士和中國科學院天津工業生物技術研究所江會峰研究組的耿文超博士後為該綜述的共同第一作者，吳邊研究員為通訊作者。該綜述的撰寫獲得了國家重點研發計劃合成生物學專項（2018YFA0901600）、國家自然科學基金優秀青年基金項目（31870055）、中國科學院戰略生物資源服務網絡計劃生物資源衍生庫（KFJ-BRP-017-58）、中國科學院前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目（ZDBS-LY-SM014）的資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2021.107813

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