多年來，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張琪博士和所在團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于天然產(chǎn)物相關(guān)的酶學(xué)機(jī)制研究和新催化元件的發(fā)現(xiàn)和表征。

圖｜張琪（來源：張琪）

其中，腺苷甲硫氨酸（SAM，S-Adenosylmethionine）自由基酶家族是目前已知的最大酶家族，他們實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

在研究中，他們發(fā)現(xiàn)了一類非常特殊的酶：其 N 端為典型的 SAM 自由基酶結(jié)構(gòu)域，而 C 端包含了 HExxH 序列。

通常，這一序列特征提示 C 端應(yīng)為含 Zn 的水解酶。然而，他們?cè)诜磸?fù)實(shí)驗(yàn)之后并未發(fā)現(xiàn)其具備預(yù)期的水解活性，反而檢測(cè)到一種非典型的氧化功能。

經(jīng)過深入研究，他們確認(rèn)這類酶并非 Zn 離子依賴的水解酶，而是一種依賴α-酮戊二酸（aKG）的含鐵氧化酶，揭示了酶催化領(lǐng)域的全新范式。

為了進(jìn)一步解析其氧化產(chǎn)物和催化機(jī)制，他們攜手新加坡國立大學(xué)的合作者，解析了其氧化產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)。此外，得益于法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的合作者的支持，他們成功解析了該酶的晶體結(jié)構(gòu)。

這一研究揭示了α-酮戊二酸依賴的非血紅素鐵酶的一個(gè)全新分支，為酶的基因組挖掘和合成生物學(xué)應(yīng)用開辟了新方向。

（來源：Nature Chemistry）

對(duì)于相關(guān)論文，三位審稿人都對(duì)他們的工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為他們的研究顯著推動(dòng)了對(duì) Fe2?/αKG 依賴性氧化酶的理解，拓展了人們對(duì)這一重要酶家族的知識(shí)廣度，并揭示了其功能多樣性的全新層面。

在最初的研究中，張琪及其博士研究生馬溯澤通過生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了這一全新類型的酶，其未知的功能和機(jī)制都讓他們非常感興趣。

在隨后的研究過程中，對(duì)于酶的功能表征，實(shí)驗(yàn)一度陷入困境，很多次嘗試均未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期活性。這些挫折令人氣餒，但在堅(jiān)持與反復(fù)摸索中，他們最終成功獲得了該酶的體外活性。

日前，相關(guān)論文以《融合基團(tuán) SAM 和αKG-HExxH 結(jié)構(gòu)域蛋白具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)折疊，并催化環(huán)肽的形成和β-羥基化》（Fused radical SAM and αKG-HExxH domain proteins contain a distinct structural fold and catalyse cyclophane formation and β-hydroxylation）為題發(fā)在Nature Chemistry[1]。

法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)伊凡·尼科萊（Yvain Nicolet）教授、張琪以及新加坡國立大學(xué)布蘭登·I·森永（Brandon I. Morinaka）教授擔(dān)任共同通訊作者 [1]。

圖｜相關(guān)論文（來源：Nature Chemistry）

展望未來，他們認(rèn)為這一成果在多個(gè)領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用潛力。該發(fā)現(xiàn)不僅推動(dòng)了對(duì)于核糖體肽天然產(chǎn)物生物合成的認(rèn)識(shí)，新發(fā)現(xiàn)的 Fe/aKG 酶的氧化功能也在合成生物學(xué)、生物催化等方向上提供了創(chuàng)新的可能。通過后續(xù)優(yōu)化和功能拓展，他們預(yù)測(cè)這類酶或?qū)?shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜多肽分子手性氧化和精準(zhǔn)反應(yīng)做出貢獻(xiàn)，為天然產(chǎn)物的化學(xué)/酶合成及相關(guān)的生物催化發(fā)展提供支持。

基于這一研究的前期成果，他們的后續(xù)計(jì)劃已逐步展開，尤其是圍繞幾類新型Fe/αKG 酶展開了深入探索。他們最近的研究揭示了幾種具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的核糖體肽天然產(chǎn)物，而這些新型的 Fe/αKG 酶正是其中的核心催化因子。這些酶不僅展現(xiàn)出新穎的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)展了他們對(duì) Fe/αKG 酶類多樣性和功能的理解，還促使他們發(fā)現(xiàn)了多類全新的核糖體肽天然產(chǎn)物。

未來，他們將對(duì)這些核糖體新化合物的生物功能進(jìn)行探索。同時(shí)，他們也將在肽類天然產(chǎn)物生物合成策略上不斷優(yōu)化，將這些新酶的獨(dú)特催化功能融入更高效的合成途徑中，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜天然產(chǎn)物的合成和功能定制。預(yù)計(jì)這項(xiàng)后續(xù)研究將為合成生物學(xué)和天然產(chǎn)物開發(fā)開辟新的視野，進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

與此同時(shí)，張琪認(rèn)為 AI 技術(shù)無疑將成為天然產(chǎn)物化學(xué)和酶學(xué)領(lǐng)域未來研究的重要工具。目前已知的天然產(chǎn)物僅僅是自然界豐富資源的冰山一角，而 AI 在天然產(chǎn)物的挖掘和表征方面的潛在應(yīng)用令人振奮。例如，AI 技術(shù)在生物合成基因簇的識(shí)別、天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的快速表征（例如基于高分辨率質(zhì)譜的數(shù)據(jù)處理），以及代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析上，都能極大提高研究效率和準(zhǔn)確性。

在酶學(xué)研究中，AI 的應(yīng)用前景更為廣闊。近年來，以 AlphaFold 為代表的 AI 技術(shù)已經(jīng)徹底改變了生物化學(xué)家的研究模式，為酶學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究帶來了前所未有的突破。展望未來，AI 不僅將在挖掘酶功能元件、定向進(jìn)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，還將助力科學(xué)家從頭設(shè)計(jì)新型酶，實(shí)現(xiàn)對(duì)酶活性、選擇性和穩(wěn)定性的精確調(diào)控，為生物催化領(lǐng)域的創(chuàng)新帶來無限可能。

參考資料：

1.Morishita, Y., Ma, S., De La Mora, E.et al. Fused radical SAM and αKG-HExxH domain proteins contain a distinct structural fold and catalyse cyclophane formation and β-hydroxylation. Nat. Chem. 16, 1882–1893 (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01596-9

運(yùn)營/排版：何晨龍