李春课题组：控制P450单加氧酶结构特异性合成稀有甘草三萜取得新进展

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北京理工大学化学与化工学院生化工程系/合成生物系统研究所李春教授课题组以来源于植物的P450单加氧酶CYP72A63为研究对象，利用同源建模和分子对接等技术，确定了决定其催化特性的关键氨基酸残基，并利用酿酒酵母对突变体功能进行了验证，实现了四种稀有甘草三萜化合物的特异性合成，为实现植物天然产物的微生物特异性合成提供了新思路和新方法。该研究成果以 《Controlling Chemo- and Regio-selectivity of a Plant P450 in Yeast Cell toward Rare Licorice Triterpenoid Biosynthesis》为题发表在催化类顶级国际期刊《ACS Catalysis》（《美国化学会－催化》，IF="12.221）上。本文的共同通讯作者为化学与化工学院的李春教授、王颖预聘副教授和于洋预聘副教授，第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士生孙文涛。

稀有甘草三萜

　　中药方剂中的十方九草中的“草”指的就是传统中药甘草，又称国老，具有清热解毒之功效又用以调和诸药。其中，甘草三萜是甘草的主要活性成分，如甘草酸及其衍生物等具有抗病毒、抗肿瘤、抗炎症等多种生理活性同时又不抑制人体免疫系统，是肝脏炎症治疗中的抗炎症药物代表。当前，在湖北抗击新冠肺炎治疗中使用的甘草酸二胺组合维生素C发挥了积极作用。李春教授课题组前期开创性地利用微生物合成植物甘草中主要三萜类化合物的系列研究（单葡萄醛酸基甘草次酸Chem Eng Sci 2014；β-香树脂醇AIChE Journal 2015；角鲨烯Chem Eng Sci 2016A和2016B；α-香树脂醇ACS Synthetic Biology 2018；甘草次酸Metabolic Engineering 2018；催化关键酶J Biological Chem 2018和J Physical Chem Lett 2018；甘草次酸衍生物J Agric Food Chem 2019和Critical Rev in Biotechnol 2019；甘草稀有三萜ACS Catalysis 2020），有望解决目前挖根提酸、破坏植被与生态的不可持续的获取方式（研究过程见下图）。然而，甘草中还存在一些含量极低、具有重要生理功能的稀有三萜化合物包括甘草次醇、甘草次醛以及甘草次醇的同分异构体等。它们除了具有重要的生理活性外，这些稀有三萜分子骨架上的羟基、醛基等功能基团的存在为对其进一步修饰，从而获得结构更加多样、功能更加丰富的新型衍生物提供了可能。但这些稀有三萜在甘草根中含量极低以及复杂的分子结构，导致这类化合物难以直接提取或化学合成制备。
　　本文利用甘草中合成甘草次酸的P450单加氧酶CYP72A63基于同源建模与分子对接等技术进行辅助理性设计，重塑其活性口袋以控制对于不同中间产物的契合度。通过提高甘草次醇的契合度实现了甘草次酸特异性合成，通过降低甘草次醇的契合度防止了其进一步氧化实现了甘草次醇的特异性合成。通过控制C-29和C-30相对于血红素铁的相对位置，实现了对底物C-29的特异性氧化，进一步通过CPR的匹配优化首次实现了甘草次醛类中间产物的特异性合成。同时利用酿酒酵母的体内验证方式解决了突变体体外试验难以进行的问题。
　　论文详情：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00128
       文章来源：北京理工大学


      李春，北京理工大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，化学与化工学院副院长，生化工程系主任/合成生物系统研究所所长。2004年入选教育部“新世纪优秀人才计划”，2005年获“霍英东青年基金奖”，2006年享受国务院政府特殊津贴，2017年获得“侯德榜化工科技创新奖”，2017年遴选为全国“生物工程学”首席科学传播专家。在Nature Communications、AIChE Journal、Metabolic Engineering、ACS Synthetic Biology、Journal of Biological Chemistry、Applied and Environmental Microbiology等刊物发表文章245篇。获授权专利26项，获省部级科技成果奖4项。编著中英文教材和著作9部章，其中主编《生物工程与技术导论》获中国石化联合会出版物优秀教材一等奖。现担任中国生物工程学会工业与环境生物技术专委会副主任、中国化工学会生物化工专委会副主任；《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》副主编、《Synthetic and Systems Biotechnology》、《化工进展》、《过程工程学报》、《生物加工过程》等期刊编委。研究方向：天然产物的微生物合成与转化、工业微生物的抗逆重编程与应用、微生物菌剂工程等。