2024年11月27日，我院天然药物及仿生药物全国重点实验室徐正仁团队在学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.发表了题为“Chemoenzymatic Synthesis of the Cyclopiane Family of Diterpenoid Natural Products”（Cyclopiane家族二萜天然产物的化学-酶法合成）的研究工作。
Cyclopiane二萜天然产物，主要来源于海洋内生真菌，具有独特的6/5/5/5四环并环结构。其骨架结构包含6-8个连续的手性中心，其中包含3个全碳取代手性中心。Cyclopiane二萜独特的化学结构和良好生物活性（如细胞毒性、抗菌、抗炎和抗过敏等）吸引了合成化学家的广泛关注。
徐正仁研究员课题组运用化学-酶法合成策略，实现了cyclopiane及其相关二萜天然产物的多样性合成。研究通过cyclopiane二萜骨架的构建、后期官能团化以及骨架多样化扩展等三阶段合成策略，不仅完成了10个cyclopiane二萜天然产物的合成，还通过化学仿生重排和基因组挖掘，发现了多个新型相关二萜骨架和环化酶。
在骨架构建阶段，作者采用基于“异戊烯醇利用途径”的萜类异源合成技术，在大肠杆菌中实现了cyclopiane二萜骨架deoxyconidiogenol的异源制备，产率可达50 mg/L，为后期官能团化和骨架扩展提供了充实的物质基础。
在后期官能团化阶段，作者通过直接氧化态调整、导向碳氢键活化和细胞色素P450氧化酶催化羟化等不同的方式，分别实现了A环、B环和D环的后期氧化修饰。在直接氧化态调整方面，作者通过IBX氧化，直接将deoxyconidiogenol转化成天然产物conidiogenone B。随后，作者运用铜催化硼对烯酮的加成-氧化反应，一步合成了天然产物conidiogenone。进一步通过大位阻试剂还原，得到天然产物conidiogenol。在导向碳氢键活化方面，作者采用铑催化乃春插入反应，实现了B环C8的胺化。随后经过多步转化，首次实现了B环具有氧化态的天然产物conidiogenone G的合成。
针对D环中C12等惰性位点的氧化，作者结合分子对接实验结果，以天然产物conidiogenone等为底物，对P450 BM3突变体进行了广泛筛选。发现P450 BM3-A3可以对conidiogenone的C12位进行选择性羟化，在克级反应规模下其收率仍能达到80%，从而完成了天然产物conidiogenone H的合成。在此基础上，作者通过消除C12羟基，并对C12-C13双键进行硼氢化氧化，实现了氧化态从C12到C13的转移。最后通过氧化态的调整，实现了天然产物leptosphin C、conidiogenone F、13-epi- conidiogenone F和conidiogenol C等天然产物的合成。
在骨架扩展阶段，作者尝试在酸性条件下对deoxyconidiogenol和1-epi-deoxyconidiogenol的羟基进行活化，以模拟生物合成途径中可能出现的C1碳正离子中间体IM-2。实验结果表明，deoxyconidiogenol在高氯酸的作用下，除了得到部分直接消除的产物外，还得到了骨架重排产物。类似地，1-epi-deoxyconidiogenol在相同条件下生成了另一种骨架重排产物。此外，作者通过SSN（序列相似性网络）指导的基因组挖掘，不仅鉴定了多个催化相关二萜spiroviolene和phomopsene形成的萜环化酶，还发现了一个新型二萜骨架amycolatene及其环化酶AcS。
综上所述，徐正仁研究员课题组运用化学-酶法策略，基于“异戊烯醇利用途径”的萜类异源合成技术，在大肠杆菌中实现了cyclopiane二萜骨架deoxyconidiogenol的异源合成，完成了骨架构建；通过直接氧化态调整、导向碳氢键活化和酶催化羟化等方式分别实现了A、B和D环的后期官能团化，完成了10个cyclopiane二萜天然产物的合成；通过仿生碳正离子重排和基因组挖掘的方式，进一步扩展了化学空间，丰富了二萜骨架的多样性。
北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)徐正仁研究员为论文通讯作者。北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)2020级博士研究生王涛，2021级博士研究生邹家胜，博士后王凯标（已出站），2022级博士研究生刘元宁为论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202419092
作者简介：
王涛，北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)天然药物学系2020级博士研究生，研究方向为活性二萜天然产物的化学-酶法合成。以第一作者或共同作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.等杂志上发表多篇学术论文。
邹家胜，北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)天然药物学系2021级博士研究生，研究方向为细胞色素P450单加氧酶的基因组挖掘与工程化改造。
王凯标，北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)博雅博士后，主要研究方向为萜生物合成平台的构建，萜环化酶的基因组挖掘及其机理研究。以第一作者和共同作者身份在Nature, Nat. Commun., ACS Catalysis等杂志上发表多篇学术论文。现在美国加州大学河滨分校（UC Riverside）进行博士后研究。
刘元宁，北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)天然药物学系2022级博士研究生，研究方向为萜环化酶的基因组挖掘及其机理研究。以第一作者和共同作者身份在ACS Catalysis, ACS Synthetic Biology等杂志上发表多篇学术论文。
徐正仁，博士，北京大学36365路检测中心-官网(36365路检测中心)研究员，天然药物及仿生药物全国重点实验室研究员PI，博士生导师。入选国家级人才计划青年项目。长期致力于活性天然产物的化学-酶法合成，新颖酶催化反应开发，以及天然药物化学研究。近年来在JACS、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal.等国际学术期刊发表多篇研究论文。
天然药物及仿生药物全国重点实验室 供稿
