近日，山东大学微生物技术国家重点实验室李盛英教授与高翔教授合作，在国际期刊Nature Communications（IF：17.694）上在线发表题为“Unnatural activities and mechanistic insights of cytochrome P450 PikC gained from site-specific mutagenesis by non-canonical amino acids”的研究论文。微生物技术国家重点实验室博士研究生潘云军和博士后李国邦为并列第一作者，李盛英教授和高翔教授为共同通讯作者，山东大学微生物技术国家重点实验室为第一完成单位和通讯作者单位。山东大学李越中教授、张玉忠教授以及中山大学巫瑞波教授团队亦参与了该项研究。
细胞色素P450酶通过催化多种具有区域和立体选择性氧化修饰的反应，能够有效提升目标化合物的结构多样性、生物活性和成药性，在许多天然药物的生物合成过程中发挥关键作用。在近半个世纪中，研究者们在P450酶的反应性和选择性的工程化改造方面做出了巨大努力。然而，利用20种蛋白质源性氨基酸产生突变体并不总是能够满足P450酶定点或随机突变以及蛋白质理性设计的所有需求。
为了应对上述问题，研究团队以大环内酯类抗生素—苦霉素的生物合成途径为研究对象，针对途径中关键P450酶PikC的关键氨基酸位点进行了半理性非天然氨基酸突变。PikC通过独特的糖锚定机制识别具有脱氧糖胺的12或14元环大环内酯底物。基于半理性设计的底物结合策略，利用非天然氨基酸正交翻译技术将一系列非天然氨基酸引入该酶的His238位点，使得PikC非天然氨基酸突变体（例如：PikCH238pAcF）对没有任何糖锚定基团的大环内酯底物产生了前所未有的活性。利用PikCH238pAcF和具有底物宽泛性的糖基转移酶BSGT-1在体外构建人工酶级联反应，获得了多种非天然大环内酯类化合物。与此同时，对无底物结合和三种不同底物结合下的PikCH238pAcF晶体结构的细致分析为这种经典的生物合成P450酶的底物结合和选择性催化机制提供了新的认识。
该研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划、山东大学青年交叉科学创新群体建设项目、中国博士后科学基金等项目的资助。山东大学生命环境研究公共技术平台为本工作提供了重要支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37288-0
