世界首張芳香型聚酮全景圖,來自西湖大學

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本文來自微信公眾號: 西湖大學WestlakeUniversity(ID:westlakeuni) ,作者:張驪駻實驗室,攝影:朱丹陽,編輯:徐珊,校對:張弛,原文標題:《西湖大學張驪駻實驗室繪製出世界首張芳香型聚酮全景圖》,題圖來自:張驪駻實驗室

兩年前,我們曾經一起敲開過西湖大學理學院張驪駻實驗室的大門。這位出生於中國、成長於日本的年輕PI,對大自然如何就地取材,創造出無數能用作藥物的天然產物充滿了興趣。因為人類使用的藥物近半數都是天然合成物,搞清楚這個創造過程,我們就可以自主、高效、快速地研發出所需的藥物。

當時,他瞄準的物件是聚酮類化合物,這是目前已知結構和功能最多樣的天然化合物之一,且被廣泛應用於藥物中。

芳香型聚酮的全景圖(示意圖)

兩年之後的今天,張驪駻交出了第一張答卷——他們探究了細菌來源的芳香型聚酮化合物的進化過程及其結構多樣性, 繪製出世界上首張芳香型聚酮的全景圖 。正如化學家門捷列夫所貢獻的元素週期表,讓人類能夠有序認識曾經“無序”散亂的化學元素,並據此發現新的物質, 這張全景圖,也 將為我們系統性揭示芳香型聚酮化合物更廣博的世界

近日,該項成果發表於《德國應用化學》 (Angewandte Chemie International Edition) ,論文的通訊作者為西湖大學理學院特聘研究員張驪駻,共同第一作者為西湖大學博士生陳閃沖和助理研究員張馳。

原文連結: https://doi.org/10.1002/anie.202202286

大自然是位奇妙的“造物主”,造就了世界上千千萬萬形態各異的靈動生命體。從花鳥魚蟲,到飛禽走獸,再到自然界的整體景觀……

張驪駻實驗室專注研究的,是大自然於微觀尺度上的“作品”: 天然產物 。比如治療皮炎的紅黴素,對付肺炎的氯黴素,應對細菌感染的青黴素……這些耳熟能詳的常用藥品,都是基於天然產物或天然產物衍生物。

“我們的目標是搞清楚大自然是如何製造出這些天然產物的。“張驪駻解釋說,“就像製造一臺汽車,我們要搞清楚這條生產線上,工人是誰,部件是哪些,他們是怎麼把車身、內飾、輪胎、大燈等元件組裝在一起,生產出一臺完整的車。”

張驪駻這次挑戰的,就是聚酮化合物家族裡的一類—— 細菌來源的芳香型聚酮化合物 ——它是許多重要藥物的核心成分,包括治療腫瘤的阿黴素和抗菌藥四環素,同時因為它的合成“生產線”很特殊、是多個酶協調負責合成產物,“預測”難度非常大。

為了高效揭開這類天然化合物合成的面紗,他們充分發揮了學科交叉的魅力。

“傳統的藥物發現方法,即從動植物、微生物中,一個一個分離鑑定出新的天然產物,逐個研究學習的方法,只能積累個別案例,無法高效給出答案。 但生物資訊學,即利用計算機搜尋、處理和利用生物學資料的研究方法,給天然產物的發現帶來了曙光。

張驪駻進一步解釋道:“現在,我們能夠生成、儲存和分析海量資料,通過基因組序列資料,鎖定天然產物生物合成基因,去預測天然產物分子多樣性、丰度、以及其分佈——也就是說,更好地瞭解天然產物的合成機理及它們的‘現狀’。”

基於團隊的前期研究與資料分析,張驪駻團隊認為,芳香型聚酮分子生物合成過程中, CLF (Chain Length Factor;鏈長因子) 這種酶發揮了關鍵作用 。每個聚酮分子都需要這個酶,並且不同型別聚酮分子的CLF酶,會有不同的氨基酸序列。

鎖定物件,他們開啟了驗證之旅。

第一步,研究團隊將目光投向167個已經被研究過 (即已表徵) 、已知曉天然產物對應關係的基因簇 (即細菌菌株中編碼生物合成酶的一列或幾類基因) 。他們分析發現,這些基因簇中CLF蛋白的氨基酸序列的資訊特徵,正好對應著不同的化合物的結構特徵;換句話說,通過獲得CLF的基因資訊,我們能夠預測最終合成的化合物類別。

同時,同藉助CLF這座“橋樑”,研究團隊得出了一個能夠“拍板”該基因簇是否能產生不同化合物的計算方法及數值線,88%——簡單來說,將兩個CLF的氨基酸序列作比較,88%以上都一樣的話,意味著它們最終合成產物化合物也是一樣的;但低於88%,則會產生不同化合物——換言之,我們能夠預測最終化合物的“唯一性”。

圖1.  芳香聚酮天然產物的全球藍圖以及新分子發現示意圖。圖片來源Angew. Chem.

第二步,研究團隊從公共基因組資料庫中,進一步提取了3254個細菌來源的芳香型聚酮化合物的生物合成酶的資料——這3254個酶,源自現今已被測序的全球所有的微生物 (細菌) 。接著,他們將第一步的研究辦法,應用到了這3254個酶上,構建出了描述“酶氨基酸序列-化合物結構”對應關係的全球“系統發育樹” (即圖2的細菌來源芳香型聚酮天然產物的全球藍圖) 。同時,他們將細菌菌株資訊納入圖表 (即圖表上最外圈的圓環) ,進而又得到了菌株與化合物之間的對應關係。

圖2.  細菌來源芳香型聚酮天然產物的全景圖。圖片來源:Angew. Chem.

基於這張藍圖式的圖表,團隊分析了芳香型聚酮的全球丰度、分佈和結構多樣性。所謂丰度,即每種聚酮化合物在這個“家族”中的豐富程度;分佈,則為化合物是在哪些菌裡存在;結構多樣性,即為這類聚酮化合物,究竟有多少種不同形狀。由此,他們預估了自然界的總芳香型聚酮分子數量——也就是細菌來源芳香型聚酮天然產物的“人口數”,大約3000。

一張色彩絢麗的細菌來源芳香型聚酮天然產物全景圖,就此誕生。

但激動的團隊成員們,依然以科學探究的嚴謹精神保持了此刻的清醒,再做最後一步驗證。他們把這張圖表“引入”現實——按圖索驥,利用這張芳香型聚酮全球藍圖,看看能否找到新的能夠產生新型芳香聚酮化合物的細菌。

論文一作之一的西湖大學博士生陳閃衝介紹說,研究團隊通過這張藍圖和進一步的分析,篩選出了7種菌株;接著,經過進一步分析,鎖定了兩種能產生新型聚酮化合物的細菌。通過在實驗室中進行菌株培養, 他們在這兩種菌株發酵後形成的最終產物中,均鑑定出了新型的芳香聚酮分子 ,包括從一株罕見嗜酸放線菌中分離得到了帶有新穎骨架的萘吡喃類化合物oryzanaphthopyran。 這些發現,最終反過來佐證了本研究所取得的全景圖在這類天然產物研究中的實際價值。

圖3. 新穎芳香聚酮分子oryzanaphthopyran的發現

圖4.  分離出穎骨架的萘吡喃類化合物oryzanaphthopyran的罕見嗜酸放線菌

回顧兩年來的探索歷程,張驪駻說:“我們遇到的最大難題是如何把基因資訊——我們所已有的資料,大規模地轉化為化學資訊——即具體的聚酮化合物。基因資料,正如計算機的0和1,可以說是‘數字密碼’;如何將它們與聚銅化合物 (的結構資訊) 進行對應,是比較難的。”

總之,這項研究通過基因大資料分析,揭示了細菌來源芳香聚酮的全景圖,並參考利用這一巨集觀地圖成功獲得了結構新穎的芳香聚酮化合物,極大地提高了對最終合成的化合物預測的精準度。事實上, 這是天然產物研究歷史上首次達到的分子結構層次解析度的全球分析 ——“如果說以前的研究是從遠處判斷路上的車是什麼顏色,我們的研究,相當於可以預測是什麼牌子的車,並且還能知道它是不是新車。”張驪駻說。

未來,張驪駻團隊期待這張全景圖可以為天然藥物的發現提供巨集觀地圖和指南,從而促進對細菌中芳香聚酮的全面探索和開發。

圖5.  芳香型聚酮化合物的世界

圖集欣賞:形態各異的放線菌,以及產生的芳香型聚酮化合物

本文來自微信公眾號: 西湖大學WestlakeUniversity(ID:westlakeuni) ,作者:張驪駻實驗室,編輯:徐珊