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合成生物学
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合成生物学/Journal Synthetic Biology JournalCSCDCSTPCD北大核心
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    药物合成生物学:药物研究的机遇与实践

    胡友财刘文邓子新
    397-400页
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    酶促4+2和2+2环加成反应:区域与立体选择性的理解与应用

    汤志军胡友财刘文
    401-407页
    查看更多>>摘要：4+2和2+2环加成反应均是构筑环结构的重要有机化学反应,在复杂天然产物、手性药物的化学合成和生物合成方面有广泛的应用.发现、发展包括4+2和2+2在内的酶促环加成反应,是当前化学生物学研究的热点之一.近期,国际、国内研究团队相继报道了多个酶促4+2和2+2环加成反应,解析了环化酶的蛋白结构和催化机制,设计了新的环化酶,或通过定向进化实现了不同类型环加成反应的区域和立体选择性调控.相关研究为采用合成生物学的策略设计和优化新型环加成酶提供了理论基础和成功范例,有利于促进酶促反应在有机合成领域的应用.

    4+2环加成反应2+2环加成反应化学合成和生物合成环化酶定向进化

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    近十年天然产物药物的生物合成研究进展

    冯金潘海学唐功利
    408-446页
    查看更多>>摘要：天然产物一直是潜在的先导药物的重要来源,天然产物及其结构类似物在历史上对疾病治疗做出了重大贡献,特别是对癌症和传染病的治疗.在过去两百年的时间里,天然产物的发现和研究经历了巨大的变化,由传统的分离鉴定为主的经典研究方法转为了基因组时代的多学科组合研究.虽然近二十年发现和挖掘了丰富的活性天然产物,但与自然界中巨大的天然产物合成潜力相比仍有不足,庞大的陆地和海洋天然产物资源尚待开发.同时,与传统的化学合成分子相比,天然产物具有丰富的骨架多样性和结构复杂性,在新药发现中展现了巨大的优势.虽然在天然产物的新药创新方面仍面临着种种挑战,但新的分析技术和挖掘策略的出现有望迎来天然产物发现的新阶段.本文总结了近十年(2014年1月-2023年10月)美国食品药品监督管理局批准成药的天然产物及源自天然产物的半合成药物,并对其中纯天然产物来源分子、重要的半合成天然产物前体的生物合成研究进展进行了详细总结.此外还简要总结了一些FDA批准的老药在过去十年中取得的重要生物合成研究进展.期望通过对成药天然产物生物合成途径及机制的深入理解,为更多天然产物创新药物的发现和研究提供借鉴.

    天然产物半合成药物新药发现生物合成

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    基因组挖掘指导天然药物分子的发现

    奚萌宇胡逸灵顾玉诚戈惠明...
    447-473页
    查看更多>>摘要：天然产物是临床药物的主要来源,也是新药研发过程中先导化合物结构设计和优化的灵感源泉.但传统策略天然药源分子的发现却遭遇了瓶颈,新颖天然产物的数量逐渐无法满足现代药物开发的需求和应对全球多药耐药的威胁.随着测序技术的快速迭代,生物学的研究进入了基因组时代,基因组挖掘指导天然产物定向发现的策略得以确立,成功摆脱了传统天然产物发现策略对于生物样本生物量的依赖,极大提高了活性天然产物发现的特异性和成功率.本文简述了基因组挖掘以及相关数据库和生物信息学工具的发展,详细介绍了包括基于核心基因或后修饰基因的经典挖掘手段,自抗性机制、进化理论指导的基因组挖掘和人工智能在活性天然产物发现中的具体应用,并对基因组挖掘在药物发现和多学科交叉领域的影响和发展进行了展望.基因组信息中蕴藏着无可估量的化学潜能,促进基因组挖掘与其他学科间的交叉融合,提升对遗传信息的处理和分析能力,增强下游基因簇表达通量和产物结构预测能力,可实现天然小分子高通量、高新颖性和高效率的发现,为开发具有自主知识产权的新药物、新化学品和新型酶催化剂服务.

    基因组挖掘天然产物药物发现生物合成人工智能数据库

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    自抗性基因导向的活性天然产物挖掘

    宋永相张秀凤李艳芹肖华...
    474-491页
    查看更多>>摘要：天然产物是医药与农药的重要来源.基因组测序和生物信息学分析技术的飞速发展,揭示了大量功能未知的天然产物生物合成基因簇,利用生物信息学工具,从这些庞大的基因簇数据中挖掘活性天然产物已经成为发现新型天然药物的重要途径.天然产物的生产者们利用自抗性基因所表达的自抗性酶来保护自身,这种自抗性酶是体内一些初级代谢途径中管家酶的变体,不但对于活性天然产物具有较好的耐受性,还可以在生产活性天然产物的同时确保宿主体内代谢的正常进行.因而,自抗性基因指导的天然产物研究有效地将活性导向和基因组导向的天然产物发掘策略桥连起来,为精准发掘具有目标活性的新型天然产物提供了有效策略.本文对利用自抗性基因作为探针进行天然产物发掘的代表性研究工作进行了整理和总结,并对研究趋势进行了展望,主要包括:①对于活性已知的天然产物,利用其自抗性基因来定位生物合成基因簇的研究;②以天然产物生物合成基因簇中的自抗性基因为线索,预测产物的作用靶点的研究;③利用天然产物自抗性机制,将具有已知作用机制的活性分子进行快速排重的研究;④利用自抗性基因与天然产物及其活性的内在联系,以目标靶点导向的活性天然产物基因组挖掘;⑤自抗性基因导向的基因组数据挖掘工具的发展情况.

    天然产物自抗性基因基因组挖掘生物合成基因簇

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    文库构建与基因簇靶向筛选驱动的微生物天然产物高效发现

    虞旭昶吴辉李雷
    492-506页
    查看更多>>摘要：微生物天然产物作为小分子药物的主要来源,已被广泛应用于医药与农业等领域.随着全球抗生素耐药性与其他公共健康问题的加剧,新结构、新靶点微生物天然产物发现迫在眉睫.大规模(宏)基因组测序揭示微生物蕴含了巨大的生物合成潜力,相继催生了多种不同类型的天然产物挖掘策略.然而,目前仍然缺乏将天然产物合成基因簇与编码产物快速关联的高效方案.近年来,(宏)基因组文库构建在获取批量天然产物合成基因簇方面展现出明显优势,结合高效的基因簇靶向筛选方法,显著加速了新结构天然产物系统发现.本文综述了三类基于(宏)基因组文库构建与靶向筛选驱动天然产物创新发现的策略,主要从克隆载体类型、文库构建方式、基因簇靶向筛选方法等角度进行了阐述,并对Cosmid/Fosmid文库、BAC/PAC文库、FAC/YAC文库等不同文库类型的优缺点及应用范围进行了对比,最后对这些策略的发展前景进行了展望.未来,基于文库构建与基因簇靶向筛选策略将极大驱动不同生境微生物来源的活性天然产物挖掘,预期大量新靶点、新结构天然产物将不断涌现.

    微生物天然产物(宏)基因组挖掘基因簇文库构建基因簇靶向筛选

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    基因组深度挖掘驱动微生物萜类化合物高效发现

    雷茹陶慧刘天罡
    507-526页
    查看更多>>摘要：萜类天然产物广泛分布于动物(包括海洋无脊椎动物)、植物、微生物中,具有复杂的化学结构和丰富的生物活性.人们通过从植物和微生物中直接分离提取的方式获得了大量萜类天然产物,然而随着越来越多化合物被发现,使用基于自然筛选的传统挖掘方式很难获得新的萜类天然产物.随着基因组测序技术和合成生物学使能技术的不断发展,我们进入了基因组挖掘驱动天然产物发现的时代,萜类天然产物的挖掘也进入了"井喷式"发现新阶段.针对基因组挖掘在微生物萜类天然产物发现方面的应用,本文综述了近年来使用的主要研究策略和最新研究进展,介绍了多种高效微生物底盘、基因组深度挖掘策略、人工智能与自动化平台等驱动的萜类化合物挖掘的最新研究进展,讨论了基因组挖掘萜类天然产物面临的挑战,展望了未来萜类化合物创新发现的发展趋势.通过在多种微生物中强化前体供应途径,人们打造了多个萜类化合物合成底盘,突破了异源合成萜类天然产物时"产量低"和"产物难获取"的瓶颈;针对萜类天然产物生物合成基因簇或萜类合酶进行深度挖掘,可以有效地解决"重复发现"和"集中度低"的难题;随着人工智能和自动化技术在合成生物学领域的发展和应用,萜类化合物的发现也进入了高通量智能发现时期,显著地改善了"研究通量低"的现状,高效获得了大量新结构萜类天然产物.在未来,更多萜类化合物将开发成药物、进入工业化生产应用,更多萜类"暗物质"会走进我们视野.

    萜类天然产物萜类合酶微生物底盘基因组挖掘人工智能自动化高通量平台

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    紫杉醇生物合成机制研究进展

    刘晓楠李静祝晓熙徐子硕...
    527-547页
    查看更多>>摘要：紫杉醇是目前已发现的最具抗癌活性的天然广谱抗癌药物之一,其生产方式主要依赖于从珍稀植物红豆杉中进行分离提取以及化学半合成,因其含量稀少,生产能力受到严重的限制.随着红豆杉基因组的全解析和合成生物学的迅速发展,通过合成生物技术,构建重组工程细胞合成紫杉醇及其关键前体成为解决当前供需不平衡和资源有限的有效方法.本文针对紫杉醇生物合成途径解析、红豆杉组学分析、底盘细胞构建、关键前体合成、紫杉醇合成途径关键酶的改造及催化机理解析等相关研究进展开展系统性的综述,尤其对近期发表的关于氧杂环丁烷环形成的相关突破性研究进行了详细介绍,并基于相关进展探讨当前紫杉醇合成生物学研究面临的关键酶催化效率低下、产物杂泛性严重、具体反应顺序未知等技术挑战及生物合成紫杉醇关键中间体的未来前景.助力加强对紫杉醇合成通路和催化过程的理解,进一步实现紫杉醇的绿色、高效生物合成.

    紫杉醇途径解析P450酶酶改造合成生物学

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    细菌聚酮合酶间的杂合方式及聚酮化合物生物合成逻辑

    张瑞金文铮陈依军
    548-560页
    查看更多>>摘要：聚酮化合物(polyketide)是一类来源广泛、结构多样的活性天然产物,聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)负责聚酮骨架的生物合成.细菌次级代谢中PKS广泛存在,不同类型的PKS在组成和生物合成机制上各不相同,从而产生截然不同的聚酮骨架.根据细菌PKS功能和生物合成途径的不同,可以将其分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型.PKS通常能与其他生物合成酶系杂合以产生结构更为复杂的天然产物.同时,不同类型PKS之间也可以形成多种内部杂合,产生更多样的聚酮骨架.本文总结和比较PKS间的内部杂合,包括Ⅰ型PKS内部杂合、Ⅰ型/Ⅱ型PKS杂合以及Ⅰ型/Ⅲ型PKS杂合,归纳各种杂合基因簇的形成方式及其杂合特征.通过比较杂合聚酮化合物的生物合成机制并讨论杂合聚酮工程化改造的进展,展望了多种潜在的聚酮杂合模式,合理假设存在合成过程相反的Ⅰ型/Ⅱ型PKS杂合模式,或随着化合物的挖掘发现迄今未报道的Ⅱ型/Ⅲ型PKS杂合模式等,指出可以充分和全面地利用细菌基因组信息,通过酶和基因的生物勘探,发现更多更特殊的PKS杂合化合物等一系列针对新颖聚酮化合物进行基因组挖掘的方向,同时也提出了工程化改造trans-AT PKS在cis-AT模块中实现不同寻常的骨架修饰等多种PKS的工程化改造设想,为后续PKS内部杂合基因簇挖掘和表征提供一些新思路.

    天然产物聚酮化合物聚酮合酶聚酮内部杂合

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    聚酮化合物非天然延伸单元的生物合成与结构改造应用

    张俊金诗雪云倩瞿旭东...
    561-570页
    查看更多>>摘要：聚酮天然产物包括10000多种具有广泛生物活性的分子,是获批临床药物中最著名的类别之一.已知活性先导化合物通常需要经过结构修饰改良其吸收、分布、代谢和排泄等特性,从而促进成药开发,但针对聚酮化合物的结构修饰极具挑战,需要应对聚酮骨架中大量的立体中心以及多个惰性碳原子,导致化学合成手段难以对聚酮骨架进行精准和高效的衍生化,因此,通过合成生物学方法实现其结构优化就成为了研究者们关注的热点.自然界中,绝大多数聚酮化合物主要由简单的乙酸盐和丙酸盐结构单元通过聚酮合酶组装而成,而少数存在的具有特殊结构单元的聚酮案例给了研究者以灵感——通过设置和引入非天然结构单元从而有选择性地高效改造聚酮结构.聚酮骨架的生物合成有赖于一个起始单元与多个延伸单元的组装,因此,通过人工设计延伸单元向聚酮引入预期结构被认为是精准高效改造聚酮的有力突破点.本文在此总结了近十年来报道的聚酮非天然延伸单元的三种重要的酶促合成方法,通过挖掘新颖的延伸单元合成酶并探索其底物宽泛性,或利用酶工程手段改造延伸单元合成酶的底物催化范围,获得了大量自然界不存在的延伸单元.此外,本文还归纳了利用非天然延伸单元对聚酮结构进行改造的案例,借助聚酮的天然合成途径或利用改造的合成途径达到预期目的.最后,作者讨论了该研究领域内存在的一些制约因素以及可优化的研究方向,包括聚酮合酶对非天然延伸单元的兼容性问题、非天然延伸单元的前体供给等.近年来,利用非天然延伸单元改造聚酮结构的研究兴趣和热度日益高涨,本文绘制了一份基于延伸单元改造聚酮结构研究的简明清晰的图谱,期望为加速聚酮类药物的高效开发打下坚实基础.

    天然产物聚酮化合物聚酮合酶延伸单元生物合成酶工程

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