天然產物化學研究的生物合成、生物轉化和生物工程
化學先生 / 2019-07-24
生物合成是在天然產物化學研究的基礎上發(fā)展起來的一門邊緣學科,研究內容包含代謝產物前體、中間體和終產物在生物體中的形成過程、機制和規(guī)律以及與代謝產物生物合成相關的生物大分子(酶和基因等)的結構、功能和作用,并利用生物方法進行有機化合物合成和轉化等。天然產物生物合成研究不但對從分子水平上認識生命過程中代謝產物的形成和作用具有重要意義,而且對天然產物的人工調控、定向合成、人類疾病和生物病蟲害防治以及利用生物代謝合成機制進行有機化合物的仿生合成等方面具有重要的實際應用價值。大量新型天然產物的生物合成途徑仍然處于假設狀態(tài),有待實驗證實。
生物轉化是利用生物體或生物組織培養(yǎng)體系完成常規(guī)化學方法難以實現的化學反應,進行有機化合物結構的衍生化合成的研究。以往主要以微生物(消化道細菌和真菌)體系研究甾體、萜類和其他天然產物為主。近年來,通過植物組織培養(yǎng)進行的天然產物生物轉化研究也取得了一定進展,如煙草組織培養(yǎng)對蒂巴因的轉化,毛花洋地黃組織培養(yǎng)對甲基洋地黃毒苷的轉化等。另外,利用微生物培養(yǎng)進行的手性合成研究也有報道。近年來,天然產物在生物體內形成過程中,各步驟催化酶(功能大分子)的分離、功能以及酶編碼基因的克隆、測序和表達研究取得了較大進展,尤其是微生物體內聚酮類抗生素化合物和動物體內與多種疾病相關的甾體類化合物(膽固醇、甾體激素、膽酸、維生素D3等)的生物合成研究進展顯著。通過生物工程的方法進行天然產物的生物轉化、調控及其生物合成途徑研究,為天然產物化學的生物方法研究注入了新的活力,開辟了更廣闊的前景。
另外,利用生物酶催化反應進行活性天然產物結構選擇性修飾、改造、轉化以及全合成的研究已有很多成功的實例。尤其近年來在核酸、核苷酸和糖類的酶催化領城取得了顯著進展 ,誕生了組合生物催化(或生物催化組合合成)。組合生物催化是利用酶的組合進行大量有機化合物衍生物的合成,其特點是在衍生物合成過程中應用了生物合成步驟的組合而不是化學反應試劑的組合,體現了生物體中化學反應的特性(化學、位點和立體選擇性),減少了官能團的保護和去保護步驟,具有潛在的優(yōu)勢;通過組合生物催化已成功地建立了-些活性天然產物的組合化學庫,如基于黃酮類化合物bergenin和紫杉醇的組合生物合成庫。