萜类化合物是自然界中结构最为丰富的一类天然产物，广泛应用于医药、农业和香料等领域。萜类合成酶是形成萜类复杂碳骨架和结构多样性的关键酶，其催化的环化及骨架重排反应能够将简单的线性前体转化为结构复杂的天然产物。其中，二倍半萜类化合物具有丰富的结构多样性，但目前已报道的细菌来源二倍半萜及其生物合成酶仍相对较少，其复杂环化机制及后修饰过程有待进一步研究。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所邓子新院士大师工作室研究团队与德国波恩大学Jeroen S. Dickschat教授团队等合作，从链霉菌 Streptomyces sp. YIM 121038中发现了一种新型二倍半萜合成酶TiBoS及其对应的细胞色素P450氧化酶TiBoOx，揭示了具有独特五环骨架的二倍半萜化合物tibonene A及其氧化产物tibonone的生物合成途径，并结合稳定同位素标记、密度泛函理论（DFT）计算和定点突变，系统解析了复杂的酶催化环化与骨架重排机制。

研究人员通过基因组挖掘和系统发育分析，发现了一种与已知萜类合成酶序列相似性较低的新型合成酶。体外酶催化及异源表达实验表明，该酶能够利用GGPP生成大环二萜，并催化GFPP形成具有独特五环骨架的二倍半萜化合物tibonene A，其结构通过核磁共振及单晶X射线衍射得到确定。此外，通过对基因簇中细胞色素P450氧化酶的功能表征，成功实现了tibonene A向氧化产物tibonone的转化，揭示了其生物合成途径中的氧化修饰过程。为阐明复杂五环骨架的形成机制，研究人员结合碳-13和氘同位素标记实验及DFT计算，揭示了TiBoS催化过程中涉及的多次环化、Wagner–Meerwein骨架重排及连续氢迁移等复杂反应过程。进一步通过蛋白结构预测、分子对接及定点突变，发现关键氨基酸残基T193能够调控酶催化的环化路径，并获得tibonenes B–E等多种新型二倍半萜化合物。部分突变体产物为所提出的碳正离子中间体提供了实验证据。此外，通过非天然底物拓展，进一步展示了TiBoS的催化可塑性及产物多样化潜力。

该研究发现了具有独特五环骨架的细菌来源二倍半萜，解析了其形成过程中复杂的环化与骨架重排机制，并通过酶工程及底物拓展获得了多种结构不同的萜类化合物。研究结果丰富了细菌来源二倍半萜合成酶资源，为复杂萜类天然产物的生物合成机制研究及新型萜类化合物的创制提供了新的酶催化工具和研究思路。

相关研究成果发表于国际化学期刊 Angewandte Chemie International Edition。德国波恩大学Min Wang和天津工生所任志远为论文共同第一作者，天津工生所侯安伟研究员、德国波恩大学Jeroen S. Dickschat教授和德国科隆大学Bernd Goldfuss教授为论文共同通讯作者。

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Tibonenes 和 Tibonone 的形成机制