上海有机所刘文团队JACS：酶促脱羰反应实现聚酮、聚肽类天然产物装配线上的碳骨架编辑

近期，中国科学院上海有机化学研究所刘文研究员（点击查看介绍）和薛小松研究员（点击查看介绍）课题组合作，在Journal of the American Chemical Society 上发表了研究成果，报道了罕见的酶催化的α-酮基硫酯脱羰基反应，实现了聚酮、聚肽类天然产物装配线上特殊的骨架编辑。

骨架编辑是自然界创造活性天然产物结构多样性的重要方法，相较于目前发现较多的成环反应，直接对碳骨架进行碳原子消除和插入的编辑方式比较罕见，这种编辑方式极具挑战性。尽管有机化学家发展了多种碳原子消除和插入的编辑方法，但是酶催化的例子却不多，而能够在聚酮、聚肽类天然产物的装配线上实现碳原子消除的酶则未见报道。上海有机所刘文课题组长期从事聚酮、聚肽类天然产物相关的装配线化学的研究，建立了高效、可靠的装配线化学研究方法，并深入揭示装配线上特殊的修饰蛋白招募机制、环化机制、糖苷单元形成机制等新颖的装配线化学（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9038–9041; Nat. Prod. Rep. 2016, 33, 162-173; Nat. Commun. 2021, 12, 3124; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 14945-14956）。基于前期在装配线化学研究中的经验积累，刘文课题组对巴巴酰胺（barbamide）装配线上通过C1单元脱除的碳骨架编辑机制展开了研究。

首先，通过体外重构巴巴酰胺装配线上一碳单元的脱除反应，发现仅需要两个装配线蛋白BarE和BarF就能实现C1单元的脱除，不需要反式酶的参与。进一步通过装配线上中间体的检测，证明酮基合成酶功能域KS是催化C1单元脱除的关键催化功能域，通过亲核进攻α-酮基来实现硫酯碳的脱除，后续再发生经典的克莱森缩合反应，结果上实现净一碳单元的延伸。对脱除的C1单元进行捕获时，发现不是以常见的甲酸和二氧化碳的形式离去，而是以酶催化反应中并不常见的CO形式离去。进一步和薛小松研究员课题组合作，结合理论计算、同源建模和保守残基点突变等实验，推测该KS功能域通过保守的极性残基对硫酯进行活化来促进脱羰基反应，实现巴巴酰胺装配线上碳骨架的编辑。最后，通过对催化脱羰基反应的装配线蛋白进行序列关联性分析，发现KS功能域催化的α-酮基硫酯脱羰基反应具有一定的普适性，推测已知含有C1单元脱除的分子cryptophycins、microsclerodemin M、microcrystin LR和nodularin可能也采用相似的机制脱除CO以完成分子骨架的编辑。

图1. 巴巴酰胺装配线上KS催化的α-酮基硫酯脱羰反应

该研究证明了装配线上KS功能域通过非金属依赖的方式催化非张力脂肪酸底物α-酮基硫酯的脱羰基反应，实现了聚酮、聚肽类天然产物装配线上骨架碳原子的编辑。该研究加深了对装配线化学的认识，拓展了经典延伸功能域KS的功能，将促进利用合成生物学策略、定向设计、合成和改造聚酮、聚肽及其杂合化合物。此外，该新颖的非金属依赖的α-酮基硫酯底物脱羰反应为开发仿生化学合成方法提供了参考。

论文的第一作者是刘文课题组博士研究生呙生杰，通讯作者是刘文研究员和汤志军博士。感谢薛小松研究员、郑超副研究员在理论计算方面提供的大力支持，感谢上海有机所公共技术服务中心王昊阳老师在分析方面提供的大力支持。该工作得到科技部、国家自然科学基金委相关基金的大力资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enzymatic α-Ketothioester Decarbonylation Occurs in the Assembly Line of Barbamide for Skeleton Editing

Shengjie Guo, Yueqian Sang, Chao Zheng, Xiao-Song Xue, Zhijun Tang*, and Wen Liu*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5017–5028, DOI: 10.1021/jacs.2c10277

导师介绍

刘文

https://www.x-mol.com/university/faculty/15568 

薛小松

https://www.x-mol.com/groups/xue_xiaosong