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——背景—— 天然产物由于其复杂多样的分子结构，往往具备丰富的生物学活性。在植物来源的天然产物中，不少分子可以直接成药，例如吗啡、咖啡因、阿司匹林、奎宁等等，还有相当多的分子有潜在的药用价值。但天然产物高度复杂的结构长期限制着其大规模合成。从植物提取物中提取天然产物受限于天然产物的低自然丰度和低效的分离纯化过程，而天然产物的全合成步骤冗长繁琐，并未从根本上降低天然产物的大规模合成难度。使用代谢工程学或生物催化法可以比化学方法更高效的合成天然产物，但二者的过程设计目前仍十分困难。使用化学-酶法合成天然产物能综合化学合成与生物催化的优势，真正改变多数天然产物无法大量合成的困境。来自英国伦敦大学学院化学生物学系的Helen Hailes教授课题组最近总结了从2003年到2021年间使用化学-酶法合成植物天然产物的主要案例，相关内容于2022年3月发表在Natural Product Reports中。 ——作者简介—— Helen Hailes教授在英国伦敦大学学院化学生物学系研究绿色的合成方法学，主要发展在水溶液中的单步或多步酶催化或化学-酶级联反应，主要研究方向是生物质的回收利用、酶在化学合成中的应用和生活废弃物的酶解与转化等。 ——生物碱——
图1 生物碱是一类结构复杂的含氮天然产物，一般是通过氨基酸代谢合成的。化学-酶法合成生物碱的案例中，比较重要的策略是使用Pictet-Spengler酶（PSase）家族的去甲乌药碱合酶（NCS）构建产物分子中的四氢异喹啉环（THIQ）结构1（图1A），并与其他化学或酶促反应结合，一锅法合成目标分子。这一策略可以合成多种具有类似结构的生物碱，如原小檗碱3及其前体四氢原小檗碱2、(S)-金莲花碱7等。此外，使用单胺氧化酶（MAO）与小檗碱桥酶（BBE）等可以通过直接氧化法形成类似的四氢异喹啉环系（图1B）。利用一些脂肪酶或蛋白酶的高对映选择性，可以对化学合成的消旋体进行动力学拆分，得到高手性纯度的中间体，再继续通过化学合成得到目标产物（图1C）。使用甲苯双加氧酶（TDO）可以构建吗啡分子中C环上正确的立体化学，因此在吗啡类生物碱的合成中有重要作用（图1D）。最后，另一种PSase异胡豆苷合酶（STR）在吲哚生物碱的合成中用于构建类似的THIQ结构，如从色胺合成的四氢狭花马钱碱11；利用相同的反应还能将断马钱子苷与色胺偶联，形成类似11的分子12。 ——萜类化合物——
图2 萜类化合物是由重复异戊二烯单元形成的一类天然产物，是主要的植物天然产物之一。植物在将这些单元首尾相连后，会进行一系列复杂的关环反应，然后做最后的官能团修饰。虽然不少此类化合物可以从植物中大量提取，如薄荷酮18a和异薄荷酮18b，这两种化合物的化学-酶合成路线也有报道，其中使用了异胡薄荷烯酮还原酶和双键脱氢酶。萜类化合物合成酶可以简便的合成各种萜类化合物及其衍生物，如用大根香叶烯A合酶（GAS）与大根香叶烯D合酶（GDS）合成对应的萜类衍生物；又如紫穗槐二烯合酶是合成青蒿素前体20的关键酶（图2A）。甲苯双加氧酶也被用于复杂萜类化合物的立体化学构建中（图2B）。此外，使用具有特殊位置选择性的萜类化合物氧化酶，可以将萜类化合物特定位置的碳官能团化，实现合成化学中难以想象的反应性能（图2C）。最后，南极假丝酵母和柱状假丝酵母的脂肪酶被广泛用于植物固醇的合成中（图2D）。 ——聚酮类化合物——
图3 聚酮化合物是由植物的聚酮合酶家族合成的一类结构丰富的天然产物。聚酮合酶（PKS）的相关代谢通路已经被成功转移至微生物中，因此通过代谢工程可以大量合成该类化合物。聚酮的化学-酶催化合成案例较少。一个案例是(-)-隐叶酮31的合成，其利用了天野脂肪酶PS合成光学纯的起始物32（图3左）；另一个案例是通过双加氧酶的立体选择性，构建合成乙酰精宁类似物34的关键起始物33（图3右）。两个案例都通过化学合成完成剩余的步骤。 ——多酚类化合物——
图4 多酚类化合物来源于植物的PKS代谢通路，一般从苯丙烷类化合物合成。由于具有丰富的共轭结构，多酚化合物可以作为染料或抗氧化剂。多种氧化酶在多酚类化合物的化学-酶合成中发挥作用。鬼臼毒素35的化学-酶合成中使用了α-酮戊二酸依赖的双加氧酶（2-ODD-PH），能以高立体选择性和高产率构建手性中间体37和39（图4A）。辣根过氧化物酶（HRP）可以用于新木脂素类化合物44合成中的氧化偶联反应，再通过化学方法得到目标产物（图4B）。HRP还可以用于阿魏酸45合成中的一步类似的氧化偶联反应（图4C）。最后，通过酚酸脱羧酶PAD与Heck偶联反应的结合，可以通过流式反应快速合成一系列白藜芦醇的衍生物48（图4D）。 ——小结—— 使用化学-酶法合成天然产物具有高化学选择性、高立体选择性、高产率、低毒性等优势，因此将化学-酶法引入合成工业具有广阔前景。随着基因技术、生物催化和过程设计的发展，化学-酶法合成天然产物将受到更加广泛的应用。化学-酶法的合成途径与单纯的化学路线或生物合成途径都有较大区别，因此同时需要良好的化学合成和生物催化相关知识才能设计此类合成路线。目前看来此类路线的设计难度还是很高的，因为合成化学家往往难以兼顾两种截然不同的合成技术。如果未来能有更多计算工具参与其中，也许能让这类方法的应用变得更加简便易行。 参考文献： [1] Roddan, Rebecca, et al. "Chemoenzymatic Approaches to Plant Natural Product Inspired Compounds." Natural Product Reports (2022). Print. DOI: 10.1039/D2NP00008C |
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