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為打破這一局限，萊斯大學(xué) Hans Renata 教授聯(lián)合上海交通大學(xué)李健副教授、復(fù)旦大學(xué)李付琸研究員，于6月16日在 Nature Chemistry 發(fā)表了題為 “Synthesis of diverse terpenoid frameworks via enzyme-enabled abiotic scaffold hop” 的研究論文。該團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的天然產(chǎn)物合成策略：通過(guò)生物催化引入一個(gè)“通用躍遷把手”，結(jié)合自由基或正離子驅(qū)動(dòng)的非生物骨架重排，實(shí)現(xiàn)在單一酶促中間體基礎(chǔ)上，合成多個(gè)結(jié)構(gòu)完全不同的天然產(chǎn)物。這項(xiàng)研究以香紫蘇內(nèi)酯為統(tǒng)一起點(diǎn)分子，首先利用工程化細(xì)胞色素P450酶在其C3位選擇性引入一個(gè)手性羥基，該官能團(tuán)不僅提供后續(xù)化學(xué)轉(zhuǎn)化所需的反應(yīng)位點(diǎn)，更被巧妙地設(shè)計(jì)為誘導(dǎo)骨架躍遷重排的“功能把手”。在完成酶催化步驟后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列精心設(shè)計(jì)的非生物轉(zhuǎn)化，包括自由基重排和陽(yáng)離子誘導(dǎo)的環(huán)化與斷裂，實(shí)現(xiàn)了骨架的多樣性重構(gòu)。這一策略極具革命性地打破了傳統(tǒng)“一個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)一個(gè)路徑”的思維慣性，展示了從一個(gè)統(tǒng)一的氧化中間體出發(fā)，通過(guò)骨架的精確重塑，構(gòu)建出多個(gè)具有完全不同碳框架的天然產(chǎn)物分子的可能性。

具體而言，該方法成功實(shí)現(xiàn)了四種具有重要生物活性的天然產(chǎn)物的高效合成，分別是 merosterolic acid B、cochlioquinone B、(+)-daucene 和 dolasta-1(15),8-diene。其中，merosterolic acid B、cochlioquinone B 和 dolasta-1(15),8-diene均為首次合成。這些天然產(chǎn)物分別屬于不同的結(jié)構(gòu)類別，展現(xiàn)了該策略在結(jié)構(gòu)多樣性上的廣泛適用性。更為重要的是，該研究不僅在化學(xué)方法學(xué)上提供了新思路，更在逆合成邏輯上提出了具有啟發(fā)性的新模型。傳統(tǒng)逆合成分析往往是從目標(biāo)分子出發(fā)，尋找其前體分子，并逐步逆推至可獲得的原料；而在該工作中，研究者則是從一個(gè)通用的酶促氧化中間體出發(fā)，利用其內(nèi)在的可重塑性，通過(guò)精巧的化學(xué)誘導(dǎo)，向多個(gè)終極骨架“正合成”發(fā)散。這種“骨架躍遷導(dǎo)向”的思維方式打破了經(jīng)典逆合成模式的線性限制，提出了一種更具系統(tǒng)性和前瞻性的結(jié)構(gòu)建構(gòu)路徑。該策略的核心優(yōu)勢(shì)在于其通用性和模塊化潛力。一方面，酶促氧化步驟具有高度位點(diǎn)選擇性與立體選擇性，可通過(guò)酶工程進(jìn)一步調(diào)控氧化位點(diǎn)；另一方面，后續(xù)的化學(xué)重排步驟亦具有高度可編程性，可通過(guò)反應(yīng)條件的調(diào)整引導(dǎo)不同的骨架躍遷方向，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣性。這種“酶促導(dǎo)向 + 化學(xué)分化”的協(xié)同策略，為未來(lái)天然產(chǎn)物的模塊化合成鋪平了道路。

此外，該研究還展示了酶工程與有機(jī)合成的深度融合在天然產(chǎn)物全合成中的巨大潛力。通過(guò)對(duì)天然酶的工程改造，研究團(tuán)隊(duì)成功獲得了能夠在非天然底物上高效催化位點(diǎn)選擇性氧化反應(yīng)的P450變體，克服了傳統(tǒng)生物催化在底物范圍和反應(yīng)位點(diǎn)控制方面的限制。與自由基化學(xué)和陽(yáng)離子驅(qū)動(dòng)策略的協(xié)同使用，進(jìn)一步提升了整體反應(yīng)系統(tǒng)的可控性和復(fù)雜性處理能力。從更宏觀的角度來(lái)看，該研究對(duì)藥物化學(xué)和天然產(chǎn)物衍生物庫(kù)的構(gòu)建亦具有重要啟發(fā)意義。通過(guò)構(gòu)建具有可塑性骨架的中間體，并以此為平臺(tái)進(jìn)行多方向的結(jié)構(gòu)發(fā)散，能夠在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出包含不同碳骨架和官能團(tuán)修飾的天然產(chǎn)物類似物庫(kù)，極大拓展了可探索的化學(xué)空間。這對(duì)于新藥篩選、先導(dǎo)化合物優(yōu)化以及生物活性機(jī)制研究等具有直接促進(jìn)作用。

總之，該研究不僅實(shí)現(xiàn)了多個(gè)天然產(chǎn)物的首次高效合成，更提出了一種具有普適性的新型合成策略：通過(guò)酶催化引入結(jié)構(gòu)可控的中間體，并以其為樞紐，利用非生物化學(xué)實(shí)現(xiàn)骨架的多樣性重塑。這種“從中間體出發(fā)，向多目標(biāo)分子發(fā)散”的思維方式為合成化學(xué)提供了一種前所未有的范式轉(zhuǎn)換，有望在未來(lái)成為天然產(chǎn)物合成的通用策略之一。隨著酶工程技術(shù)和自由基化學(xué)的發(fā)展，這一方法的應(yīng)用范圍和潛力將進(jìn)一步擴(kuò)大，為復(fù)雜天然產(chǎn)物的合成與功能研究開啟新篇章。

文獻(xiàn)詳情：

Synthesis of diverse terpenoid frameworks via enzyme-enabled abiotic scaffold hop 

Heping Deng, Junhong Yang, Fuzhuo Li, Jian Li & Hans Renata 

Nat. Chem.2025 

https://doi.org/10.1038/s41557-025-01852-6

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