近日，代谢工程领域顶级期刊《代谢工程》（IF：8.201）在线发表我院邓子新院士团队刘天罡教授课题组的最新研究成果，题为《高效的萜类化合物底物供给平台助力释放萜类环化酶生物合成潜力》（Releasing the potential power of terpene synthases by a robust precursor supply platform）。这是该课题组近年来在该期刊发表的系统性研究成果之一，也是刘天罡教授提出“定向合成代谢”（Targeted Synthetic Metabolism）理论技术体系的又一突破性成果。

该项研究成果将合成生物学和代谢工程的应用范围拓展到天然产物挖掘领域，使得萜类骨架化合物及其生物合成元件的挖掘速度取得了突破性的进展，同时也使得人们对萜类环化酶合成能力的认识提升到一个新的高度，具有广泛的应用性。该研究工作主要由博士生卞光凯和武汉臻智生物科技有限公司工程师韩以超等完成，刘天罡教授为论文通讯作者。

图1. 组合生物合成策略指导的具有底物及反应杂泛性萜类环化酶及新（骨架）产物的高效挖掘

图2. 酶的理性改造加速萜类化合物挖掘进程

萜类化合物是最重要一类天然产物，著名的青蒿素和紫杉醇都属于这一家族。目前，人们对萜类化合物生物合成相关元件的挖掘还远远不足。其中，萜类环化酶（terpene cyclase）能够催化不同链长的异戊二烯单元合成单环或者多环的萜类化合物核心骨架，是萜类化合物结构多样性的基础，挖掘新的萜类环化酶成为拓展萜类化合物结构多样性的一个决定性步骤。传统的天然产物挖掘方法通常受限于自身或异源表达宿主的产物合成能力，仅能对其中主要的产物进行挖掘鉴定，这在很大程度上掩盖了这些萜类环化酶的生物合成潜力。因此，开发一个高效的萜类化合物生物合成元件及其产物挖掘平台，是加速萜类化合物相关研究进程的关键所在。

刘天罡教授课题组对丝状真菌来源的I型萜类环化酶进行系统发育分析，发现第三个（clade III）进化分支上的萜类环化酶具有底物及反应杂泛性（promiscuous）的潜质。他们对丝状真菌Fusarium graminearum J1-012基因组中的萜类环化酶进行生物信息学分析，在第三个进化分支中挖掘到两个潜在的具有底物及反应杂泛性的萜类环化酶FgMS和FgGS。体外反应结果显示，这两个酶具有空前的底物和反应杂泛性，能够以香叶基焦磷酸（GPP）、法尼基焦磷酸（FPP）、香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）以及香叶基法尼基焦磷酸（GFPP）为底物合成多种类型的萜类化合物。随后，他们在前期对萜类化合物“定向合成代谢”深刻认识的基础上，构建了一个含有3个不同模块（底物供给模块、不同异戊二烯前体模块、萜类合酶模块）的萜类化合物组合生物合成平台，研究这两个酶合成萜类化合物的潜力。结果表明，这样能够合成多达50种单萜、倍半萜、二萜、二倍半萜化合物。对其中的12个产物进行鉴定并从中筛选出7个新的二萜和二倍半萜化合物，发现了3个新骨架化合物，显示出FgMS和FgGS这两个酶强大的萜类化合物合成能力以及该组合生物合成平台的高效性。

为进一步增加产物的多样性，加速萜类化合物挖掘进程，该课题组对其中的FgMS进行同源建模，并对其活性口袋附近潜在的非保守氨基酸位点进行分析及定点突变。体外研究结果显示，F65L和F159G能够合成6个潜在的新的二倍半萜化合物，可丰富有限的二倍半萜化合物骨架的数量。再对其中1个主要产物进行发酵、纯化并鉴定，发现其为新的二倍半萜类化合物。这一组合生物合成结合酶的理性改造策略，使得我们能够充分挖掘FgMS和FgGS的生物合成潜力，相较于传统的天然产物挖掘手段，发现新（骨架）化合物的数量和效率得到了极大的提升。

此后，课题组又对通用蛋白数据库（UniProt）中真菌来源的I型萜类环化酶进行系统发育分析，从中筛选得到321个位于第三个进化分支的萜类环化酶，为后续这类具有底物及反应杂泛性萜类环化酶及新产物的挖掘指明了方向。这将极大地加速新的萜类化合物生物合成元件及产物的挖掘进程，还可以快速推广到其它天然产物的挖掘进程中去，有望颠覆传统的天然产物挖掘方式。