科學家完成“明星藥物”慶大霉素復雜生物合成最后一塊“拼圖”

9月26日，從武漢大學獲悉，該校藥學院鄧子新院士團隊孫宇輝教授課題組與英國劍橋大學、巴西圣保羅大學關于慶大霉素雙脫氧催化機制的最新合作研究成果在《美國化學會催化》發表。論文通過遺傳學、生物化學和結構生物學等多學科研究方法，成功揭示慶大霉素生物合成中雙脫氧修飾的過程和催化機理，完成了曾經抗感染明星藥物慶大霉素復雜生物合成途徑的最后一塊“拼圖”。

慶大霉素作為氨基糖苷類抗生素的典型代表，曾一度是治療革蘭氏陰性細菌感染的首選藥物。

伴隨著日益嚴重的抗生素耐藥性問題，及慶大霉素自身的腎毒性和耳毒性，如何通過合成生物學方法研制出更高效、更安全的慶大霉素等新型氨基糖苷類藥物，成為人們的迫切愿望。

為此，徹底清晰的闡明其生物合成途徑，尤其是對賦予了慶大霉素對抗部分鈍化酶特性的C-3’和C-4’的雙脫氧分子結構的形成機制，是對其進行理性改造的重要基礎與前提，一直吸引著人們好奇和探索的目光。

在前期系統研究積累基礎上，孫宇輝課題組通過對可能涉及雙脫氧的PLP依賴的轉氨酶候選編碼基因進行體內遺傳敲除，證實了GenB3和GenB4參與該過程，并通過鑒定的數個中間產物，說明該過程實際上包括連續的脫雙羥基和雙鍵還原步驟。再經GenB3和GenB4重組表達，并以分離獲得的中間產物為底物進行嚴格體外生化驗證，發現脫雙羥基并非單一反應，除磷酸化酶GenP負責中間體磷酸化之外，還包含了連續的脫磷酸、異構化、脫氨基和轉氨過程，而這些復雜變化均由GenB3單獨催化完成。

同時，GenB4主導的雙鍵還原并未使用還原型輔酶，而是非常規地通過亞氨基水解，間接實現了還原，再通過GenB3轉氨，得到最終慶大霉素C組分產物。這個過程因為不同尋常的還原方式，在同一位點反復脫氨或轉氨多達四次。整個催化過程在簡單的表象之下蘊藏著自然界天然產物獨特而精彩的催化機理。

課題組還發現，GenB3和GenB4雖然氨基酸序列極其相似，功能卻不盡相同。通過對其蛋白晶體的結構解析，表明GenB3中第57位的Ser和GenB4中第52位Asp可能是引發其功能不同的關鍵所在，即僅僅一個氨基酸位點不同，最終決定了兩者功能巨大差異。

據悉，論文題目為《慶大霉素生物合成中雙脫氧的機理研究》，武漢大學李思聰、圣保羅大學Priscila Dos Santos Bury和劍橋大學的黃方呂為并列第一作者。本研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金國際(地區)合作與交流重點項目的資助。(科技日報記者 吳純新 通訊員 姚苑)

關鍵詞： 科研團隊 大霉素生物合成 雙脫氧修飾 催化機理