北京大學 雷曉光 Nat Synth 化學酶法全合成alchivemycin A

  • 2024-06-26 20:53
  • 蛋白質工程與生物催化

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摘要
Alchivemycin A是從植物放線菌鏈黴菌中分離得到的一類獨特的聚酮化合物，具有較強的抗菌活性和抗腫瘤活性，但其結構複雜，氧化態高，合成困難。本研究使用化學酶的方法，結合從頭骨架建設和後期通過硼-烷基Suzuki-Miyaura交叉偶聯、大環內酰胺化和Lacey-Dieckmann縮合反應實現高度官能化的非天然酶底物tetramic acid的合成。使用氧化還原酶AvmO3和AvmO2的高效酶促環氧化快速獲得所需的二環氧化物產物，隨後通過蛋白質工程優化AvmO1突變體AvmO1-Y282R用於Baeyer-Villiger轉化將tetramic acid環轉化爲TDO環，這項工作爲進一步探索alchivemycin A的生物學功能鋪平了道路，並強調了化學酶策略在複雜分子合成中應對合成挑戰的實用性。
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研究內容
2010年，Igarashi及其同事分離出一種新的多環聚酮化合物天然產物alchivemycin A，顯示出優異的抗菌和抗腫瘤活性，但其結構複雜性顯示出巨大的合成挑戰。作者在以前的研究中報道了幾項關於alchivemycin A（1）的合成研究，儘管使用不同的條件和合成順序進行了許多嘗試，但含有TDO環的高度官能化的大環骨架合成方法尚未建立。因此需要開發一種新的方法來克服處理不穩定官能團和在後期階段以有限的化學轉化實現高區域選擇性、化學選擇性或立體選擇性的固有合成挑戰（圖1a-c）。
2021年，戈惠明等人報告了導致形成alchivemycin A代謝網絡中六種氧化還原酶，進一步生物合成研究表明，alchivemycin A（1）的的大環化合物可通過AvmM催化的串聯脫水-Michael型加成反應形成（圖1d）。受這一生物合成發現的啓發，作者報道了使用化學酶促方法，結合從頭骨架構建和後期酶促氧化反應，全合成alchivemycin A（1）。

圖1. Alchivemycin A的背景和結構分析

alchivemycin A（1）全合成中最具挑戰性的步驟是在合成後期構建TDO環系統，作者計劃開發使用AvmO1從攜帶tetramic acid的底物產生TDO環系統的alchivemycin A（1），使用AvmO2和AvmO3區域選擇性和立體選擇性地安裝兩個環氧基團。
首先對化學酶促合成alchivemycin A進行逆合成分析。alchivemycin A可以通過使用三種氧化酶AvmO1、AvmO2和AvmO3的酶促方法從含有tetramic acid的非天然酶促底物8衍生。高度官能化的中間體8可以由化合物9通過氨解誘導的大環內酰胺化和Lacey-Dieckmann縮合產生。胺9可以通過醇10的SN2疊氮化得到，其又可以通過匯聚聚的硼-烷基Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應由順式-十氫化萘片段11和側鏈片段12構建。十氫化萘片段11已在天然產物的全合成中報道，而側鏈片段12可以容易地從已知化合物13製備（圖2）。

圖2. 逆合成分析

合成開始於從化合物13開始構建整合的多羥基側鏈片段12。首先用對甲氧基苄基（PMB）保護13中的羥基得到化合物14。使用70%HOAc水溶液區域選擇性地將末端縮酮基團脫保護，得到90%的二醇15。用乙酰基選擇性地保護15中的伯醇得到化合物16。醇與叔丁基二甲基甲硅烷基（TBS）反應，得到17，乙酰基用二異丁基氫化鋁（DIBAL-H）脫保護，得到18。將所得粗產物用四正丁基氟化銨（TBAF）脫保護，得到二醇20及其差向異構體。通過衍生化和NOE NMR光譜法明確證實了20中烯丙醇的立體化學。最後將PMB基團脫保護得到側鏈片段12，每步的收率如圖所示（圖3）。

圖3. 側鏈片段12的合成

有了側鏈片段12和順式萘烷片段11，接下來合成非天然的攜帶tetramic acid的酶底物8。片段12硼氫化後，所得硼-烷基中間體直接用於Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應，與順式-十氫化萘烯基碘11反應得到10。對10中的羥基活化並進行疊氮化獲得所需的疊氮化物產物22。用TBAF除去22中的甲硅烷基保護基，然後用異丙醇氧化相應的伯醇得到醛23。使用PMe3還原24中的疊氮基獲得相應的氨基衍生物25。將化合物25與溴乙酸甲酯和K2CO3在溫和溫度下加熱得到單取代產物9，大環內酰胺26然後通過4-二甲氨基吡啶（DMAP）誘導的分子內氨解反應以94%的產率構建完成。將大環內酰胺26用濃鹽酸在甲醇中處理以脫保護，粗產物未經進一步純化直接用於後續與NaOMe作爲鹼的Lacey-Dieckmann縮合反應，最終以69%的產率獲得兩步反應的酶底物8（圖4）。

圖4. 非天然酶促底物8的薈聚合成

在獲得酶底物8之後，作者異源表達製備了AvmO1、AvmO2和AvmO3。AvmO2和AvmO3可以將8轉化爲相應的單環氧化物產物（分別爲27和28），用AvmO2處理28得到二環氧化物產物30。然而AvmO1在標準條件下對非天然底物30僅顯示弱活性，優化條件並對酶進行理性設計後，引入單個取代的Y282R顯示100%轉化。在添加表面活性劑DL-α-生育酚甲氧基聚乙二醇琥珀酸酯（TPGS-750-M）後，非天然底物8可以通過用AvmO3催化完全轉化爲相應的單環氧化物28，隨後使用AvmO2，單環氧化物28可以以95%的分離產率轉化爲二環氧化物30 ，最終的天然產物alchivemycin A（1）以85%的分離收率獲得（圖5）。

圖5. Alchivemycin A的後期酶促合成

總之，這項研究通過化學合成與酶促反應結合，克服了傳統化學合成中的侷限，實現了alchivemycin A的高效合成，凸顯了化學酶策略在複雜分子合成中的實用性。這項工作還爲開發基於alchivemycin A的化學探針奠定了基礎，以研究其抗菌和抗癌的作用機制，並鑑定新的細胞靶點用於藥物發現。
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論文相關信息

作者信息及鏈接：

雷曉光：https://www.chem.pku.edu.cn/ktz/hxswx/90067.htm

研究方向：化學生物學，天然產物合成，合成生物學，創新藥物研發

文章信息：Chemoenzymatic total synthesis of alchivemycin A

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00577-7

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