近日，山東大學微生物技術國家重點實驗室（微生物技術研究院）卞小瑩、武大雷、張友明教授課題組聯合攻關，在非核糖體脂肽生物合成與工程化方面取得突破。相關研究成果以“Engineering and Elucidation of the Lipoinitiation Process in Nonribosomal Peptide Biosynthesis”為題，在線發表于Nature Communications（中科院一區，五年IF=13.611）。該研究工作由山東大學微生物技術國家重點實驗室、山東大學蘇州研究院等單位合作完成，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省青年基金等項目的支持。
非核糖體脂肽是一類重要的天然產物，如鏈霉菌來源的達托霉素和類芽孢桿菌來源的多粘菌素被認為是對抗革蘭氏陽性菌和陰性菌感染的最后一道防線。脂肽類化合物的N端脂肪酸鏈可以進入細菌細胞膜的磷脂雙分子層，對脂肽的生物活性和毒性具有重要的影響。因此，改變N端脂肪酸鏈可提高脂肽的成藥屬性，如達托霉素的創制。目前，改變其脂肪酸鏈主要依靠半合成法或改變脂肪酸前體供應等方法，相對復雜且產量較低。
課題組前期在一株伯克氏菌中通過基因簇激活發現了兩類含有不同長度脂肪酸鏈的脂肽rhizomide和holrhizin。它們負責裝載脂肪酸的Cs結構域，具有很高的同源度，但是其裝載的脂肪酸鏈長度卻有較大差異 (C2 vs C8)。作者首先利用Cs結構域交換發現能夠成功改變兩類脂肽的脂肪酸鏈，確立了一種改變脂肽的脂肪酸鏈的遺傳學方法。并進一步將全長Cs結構域交換的方法應用于Glidobactin A的脂鏈改造，也成功獲得了脂肪酸鏈改變的衍生物，證明了該策略具有較好的普適性。
進而，通過篩選Cs結構域突變體與底物的結合能力，作者首次成功獲得了Cs結構域與供體底物辛酰輔酶A的共結晶結構，結合關鍵位點的氨基酸突變，并進一步確定了負責脂肪酸鏈長度的其它關鍵氨基酸，實現了rhizomide的脂肪酸鏈長度從乙?；绞轷；–2 - C16)的巨大改變，產生并鑒定了一系列的非天然脂肽。該研究通過Cs結構域替換和關鍵氨基酸突變為非核糖脂肽的脂肪酸鏈改造提供了可行的策略和較為普適的方法，為復雜脂肽的組合生物合成和工程化改造奠定了理論和實踐基礎。
作者同時也獲得了Cs結構域與供體底物辛酰輔酶A及受體底物模擬物的三元復合物結構，發現反應中心組氨酸對兩底物均具有穩定定位的作用。同時基于獲得的多種不同構象的Cs結構域的精細結構，提出其在催化脂鏈起始過程中存在的“從底物結合到產物釋放”動態結構變化模型，進一步揭示了Cs結構域的催化機理。本研究為復雜脂肽類天然產物的優化改造提供了新的方法和策略。
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【來源：山東大學新聞網 編輯：董慧敏 審核：錢晨】
