異戊二烯類化合物包括 180,000 多種已知化合物，它們在醫(yī)藥、香料、化妝品等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如青蒿素、紫杉醇等藥物，以及香茅醇、檸檬烯等香料。然而，傳統(tǒng)化學(xué)合成方法在制備異戊二烯類似物時，常因這類化合物復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而受阻，尤其是多個手性中心的存在，使得化學(xué)合成效率低下且成本高昂。

近日，哥本哈根大學(xué)的研究人員在異戊二烯類似物的合成領(lǐng)域取得了新的突破。他們開發(fā)了一種基于酵母細(xì)胞的生物催化方法，該方法可繞過傳統(tǒng)的異戊二烯生物合成路徑，利用類似異戊二烯醇的化合物生產(chǎn)出具有定制碳骨架的類異戊二烯類似物。這一成果發(fā)表于 Nature Communications，題為“Systematic biotechnological production of isoprenoid analogs with bespoke carbon skeletons”。

傳統(tǒng)異戊二烯的生物合成通常遵循異戊二烯規(guī)則，即所有異戊二烯都是由兩個五碳單元：異戊烯基二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）構(gòu)成，通過頭尾連接的方式逐步構(gòu)建的。這種規(guī)則限制了異戊二烯的碳骨架多樣性，因為所有天然異戊二烯的碳骨架都是五的倍數(shù)（如 C10、C15、C20 等）。

為了打破對這兩種傳統(tǒng)五碳前體的依賴，研究人員設(shè)計了一種新的代謝途徑，即直接利用帶有額外碳原子的前體分子（如六碳或七碳的醇類）來合成非經(jīng)典的異戊二烯前體，從而生產(chǎn)出具有定制碳骨架的異戊二烯類似物。該定制碳骨架可改變異戊二烯類似物的理化性質(zhì)，如揮發(fā)性、溶解性、穩(wěn)定性和生物活性，從而極大地拓展了其在醫(yī)藥、香料、化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖 | 從起始醇類到異戊二烯類似物的核心生產(chǎn)流程

研究人員首先在釀酒酵母中建立了一條高效的異戊二烯醇利用途徑。

他們對一系列已知激酶進行評估，發(fā)現(xiàn)此前報道的激酶在酵母細(xì)胞中活性不足，無法有效支持該途徑。經(jīng)過篩選，他們找到了擬南芥中的法呢醇激酶（AtFKI），它能高效地將異戊烯醇類醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的異戊烯基單磷酸；隨后引入擬南芥異戊烯基激酶（AtIPK），將異戊烯基單磷酸轉(zhuǎn)化為非經(jīng)典的二磷酸酯構(gòu)建模塊。

為了進一步優(yōu)化該途徑的轉(zhuǎn)化效率，研究人員對 AtFKI 進行改造，去除其 N 端的質(zhì)體轉(zhuǎn)運肽，得到的 Δ65AtFKI 變體催化效率提升了 3.72 倍。將 Δ65AtFKI 和 AtIPK 整合到酵母基因組后，最終成功建立了高效的異戊烯醇利用途徑。

借助該途徑，研究人員還探索了多種與異戊烯醇結(jié)構(gòu)相似的醇類的可能性。他們發(fā)現(xiàn)，有 7 種相似醇類也可被 AtFKI 和 AtIPK 利用，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的 DMAPP 和 IPP 類似物，生成非經(jīng)典的異戊二烯前體。

圖 | 利用不同異戊烯醇樣醇合成各類萜類化合物類似物,包括單萜、倍半萜和三萜類似物

在此基礎(chǔ)上，研究人員利用這些非經(jīng)典前體，通過引入不同的萜烯合酶或烯丙基轉(zhuǎn)移酶，成功制備出了多種類型的異戊二烯類似物，包括單萜、倍半萜和三萜類似物。盡管在嘗試制備二萜和四萜類似物時，由于 Erg20p(F96C)無法將合成的 C16 和 C17 構(gòu)建模塊延伸至相應(yīng)的 C21 或 C22 化合物，暫時未取得成功，但通過進一步研究尋找或改造合適的烯丙基轉(zhuǎn)移酶，有望突破這一障礙。

隨后，研究人員通過多種分析技術(shù)驗證了合成的異戊二烯類似物的結(jié)構(gòu)和純度，以及通過功能實驗（如受體激活實驗和感官評價）驗證這些類似物的生物活性和應(yīng)用潛力，多項實驗結(jié)果均表現(xiàn)良好。

比如，在高價值的香氣成分乙基芳樟醇的生物合成中，研究人員通過引入特定的酶，成功利用該生物催化方法制備出以(E)-乙基芳樟醇為主的產(chǎn)物。經(jīng)專業(yè)調(diào)香師評估并以蜘蛛圖的形式繪制了五個品種屬性的評分后，包括花香、果香、風(fēng)味濃郁等，其感官特性明顯優(yōu)于化學(xué)合成產(chǎn)物。

圖 | 利用生物催化方法合成乙基芳樟醇及其他芳樟醇類似物，其感官特性明顯較優(yōu)

而在大麻素類似物的制備和功能評估時，研究人員通過改造酵母細(xì)胞，使其表達特定的酶，并供應(yīng)橄欖酸和不同的異戊烯醇類醇，成功獲得多種大麻萜酚酸（CBGA）。對這些類似物的生物活性評估發(fā)現(xiàn)，部分化合物對人源大麻素受體 CB2 的激活能力相較于經(jīng)典的 CBGA 有顯著提升，且熱處理后生物活性提升更為明顯。

總之，這項研究成功通過設(shè)計新的代謝途徑、引入高效的酶、優(yōu)化酶的表達以及利用特定的醇類前體，解決了傳統(tǒng)化學(xué)合成難以制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異戊二烯類似物的難題。并通過在異戊二烯的碳骨架上引入額外的碳原子，為合成功能更佳、應(yīng)用范圍更廣的異戊二烯類似物提供了可行的途徑。

參考文獻：

1. Wang, L., Rosenfeldt, M., Koutsaviti, A. et al. Systematic biotechnological production of isoprenoid analogs with bespoke carbon skeletons. Nat Commun 16, 2098 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57494-2

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