萜类化合物是一类具有广泛应用的天然产物。常见的应用有抗癌药物紫杉醇，抗疟药物青蒿素，香水制作原料降龙涎香醚，以及植物生长调节剂赤霉素等等。因此，挖掘结构新颖的萜类化合物一直是天然产物的研究热点。萜类合酶是导致萜类化合物结构多样性的关键因素，但其常见的底物只有四种（GPP/FPP/GGPP/GFPP）。因此，通过拓展萜类合酶的底物谱，是不是可以发掘到更多结构新颖的萜类化合物？近年来已有一些研究表明，萜类合酶可以催化醚键、氮甲基、氧甲基修饰的FPP，证明了该策略的可行性，但这方面的研究仍然相对较少，缺乏一些系统性的研究。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所邓子新大师工作室系统探究了六种倍半萜合酶对酮基修饰FPP的催化。旨在回答：不同起始环化方式的倍半萜合酶是否可以利用酮基修饰的FPP？对于不同位置的酮基修饰FPP的利用是否有差异？产物多样性较天然底物FPP是否有拓展？获得的产物是否具有抗癌应用潜力？

该研究选择了六种起始环化方式具有代表性的倍半萜合酶（FgFS, DcS, TmS, SpPS, 6293, HcS），设计并合成了3种酮基修饰的FPP底物，分别是在7位，10位和11位引入酮基，因为这三个位置对应FPP的双键，是萜类合酶环化的关键位点，同时在相应位置以烯烃修饰的FPP作为对照。通过体外酶反应以及GCMS检测发现：六种FPP类似物都可以被至少两种酶识别。同时相比天然底物FPP而言拓展了其产物多样性。随后通过体外扩大酶反应获取产物，通过HPLC进行分离纯化，最后通过NMR对结构进行确定。最终解析了38个产物的结构，其中有21个是新化合物。通过分析产物结构，作者发现：在C10或C11位置引入酮基修饰通常会阻碍1,10或1,11环化步骤生成产物，但对1,6或1,7环化酶的影响较小，而C7位酮基修饰则更有利于焦磷酸水解产物的形成。通过MTT法鉴定了上述化合物的抗癌活性，发现有5个化合物的抗癌活性优于β-榄香烯，且其中2个化合物对正常细胞的毒性更低。

该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、合成生物学海河实验室创新及重点项目以及天津市合成生物技术创新能力提升行动等项目的支持。相关成果已发表于Organic Letters。天津工生所博士研究生李瑞龙和天津中医药大学硕士研究生谢明辉为论文第一作者，天津工生所侯安伟研究员、徐敏研究员为共同通讯作者。

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倍半萜合酶催化非天然底物研究示意图