遇见/摘要
近日，杭州师范大学药学院谢恬团队在《International Journal of Biological Macromolecules》上发表了题为“Screening and modification of (+)-germacrene A synthase for the production of the anti-tumor drug (-)-β-elemene in engineered Saccharomyces cerevisiae”的研究论文，指出植物和微生物来源的吉马烯A合酶催化生成的吉玛烯A产物立体构型存在差异，并对其产物立体选择性的分子机制进行了探讨。此外，通过代谢工程策略改造酿酒酵母，实现了抗癌活性成分(-)-β-榄香烯的异源高效合成。成都中医药大学博士研究生胡雨涵为本论文第一作者。杭州师范大学谢恬、殷晓浦和胡添源为本文通讯作者。
遇见/内容
β-榄香烯是从浙八味中药温郁金（温莪术）的块茎中分离出来的倍半萜烯化合物，具有广谱的抗肿瘤活性。谢恬教授提出中西医结合“分子配伍”理论研发新药及治疗癌症，在“分子配伍理论”指导下历时二十多年研发成功的我国具有自主知识产权的抗肿瘤药物榄香烯脂质体，系全球第一个抗肿瘤脂质体纳米制剂，也是全球第一个仅含碳氢元素的天然手性抗癌药物，颠覆了药物化学等教科书中“无氮氧不成药”的观念。β-榄香烯主要通过降膜式分子蒸馏精制技术从温郁金（温莪术）挥发油中提取分离获得，这种提取方法存在植物生长周期长等局限性。随着合成生物学的发展，利用微生物细胞工厂异源生产β-榄香烯成为了具有前景的资源获取新途径。然而，以往的研究往往忽略了对β-榄香烯绝对构型的鉴定，合成正确立体构型的手性分子对其开展临床应用和研究至关重要。
本研究对多物种来源的吉马烯A合成酶（germacrene A synthase，GAS）产物进行了鉴定，发现植物来源和微生物（真菌/细菌）来源的GAS催化FPP生成的吉玛烯A产物具有不同的手性结构，且只有植物来源GAS生成的 (+)-吉玛烯A经过Cope重排后得到的产物分子与榄香烯脂质体（榄香烯乳状注射液、榄香烯口服乳）中的(-)-β-榄香烯一致。随后，作者通过定点突变和计算辅助模拟相结合的方法初步探讨了吉马烯A合酶催化过程的立体选择性机制。分子动力学模拟显示，FPP在二者蛋白的活性口袋中的折叠方式不同，活性口袋附近的芳香族残基可能直接或间接参与控制 FPP:C10=C11双键的进攻方式，从而导致了产物立体构象的差异。
图1 吉马烯A合酶系统进化分析及其产物绝对构型鉴定
为了实现正确药用构型的(-)-β-榄香烯的高效异源合成，作者对19条植物来源GAS的催化效率进行了比较，发现来自菊苣（Cichorium intybus）的(+)-吉马烯A合酶CiGASlo在酿酒酵母中生成的产物产量最高。随后，通过分子对接模拟了该蛋白与底物分子的相互作用，分析CiGASlo在进化过程中氨基酸的突变频率，获得了高效合成(+)-吉马烯A的突变体，并与酵母内源的异戊烯基转移酶进行融合，构建获得了(+)-吉马烯A高效合成基因元件ERG20-GGGS-CiGASloR354H-I126V-S386T。同时，作者通过同源重组和CRISPR/Cas9基因编辑技术对酿酒酵母的FPP合成途径进行了强化，将 (-)-β-榄香烯的摇瓶产量提高到了1152 mg/L。
图2 β-榄香烯生物合成路径及高产细胞工厂的构建
综上，本研究揭示了植物来源和微生物来源吉马烯A合酶催化产物立体构型的差异，强调了吉马烯A合酶的立体选择性在抗癌活性成分β-榄香烯生物合成中的重要性。此外，本研究应用了多种代谢工程策略，包括深度突变扫描、融合蛋白质工程和细胞内代谢途径通量的调控，展示了微生物作为异源生产天然产物细胞工厂的巨大潜力，为其他高价值天然产物的生物合成提供了参考。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135455