The research team of Prof. Zhengren Xu completed the chemoenzymatic synthesis of the cyclopiane family of diterpenoid natural products
2024年11月27日, 北京大学药学院天然药物及仿生药物全国重点实验室徐正仁团队在学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.发表了题为“Chemoenzymatic Synthesis of the Cyclopiane Family of Diterpenoid Natural Products”(Cyclopiane家族二萜天然产物的化学-酶法合成)的研究工作。
Cyclopiane二萜天然产物, 主要来源于海洋内生真菌, 具有独特的6/5/5/5四环并环结构。其骨架结构包含6-8个连续的手性中心, 其中包含3个全碳取代手性中心。Cyclopiane二萜独特的化学结构和良好生物活性(如细胞毒性、抗菌、抗炎和抗过敏等)吸引了合成化学家的广泛关注。
徐正仁研究员课题组运用化学-酶法合成策略, 实现了cyclopiane及其相关二萜天然产物的多样性合成。研究通过cyclopiane二萜骨架的构建、后期官能团化以及骨架多样化扩展等三阶段合成策略, 不仅完成了10个cyclopiane二萜天然产物的合成, 还通过化学仿生重排和基因组挖掘, 发现了多个新型相关二萜骨架和环化酶。
在骨架构建阶段, 作者采用基于“异戊烯醇利用途径”的萜类异源合成技术, 在大肠杆菌中实现了cyclopiane二萜骨架deoxyconidiogenol的异源制备, 产率可达50 mg/L, 为后期官能团化和骨架扩展提供了充实的物质基础。
在后期官能团化阶段, 作者通过直接氧化态调整、导向碳氢键活化和细胞色素P450氧化酶催化羟化等不同的方式, 分别实现了A环、B环和D环的后期氧化修饰。在直接氧化态调整方面, 作者通过IBX氧化, 直接将deoxyconidiogenol转化成天然产物conidiogenone B。随后, 作者运用铜催化硼对烯酮的加成-氧化反应, 一步合成了天然产物conidiogenone。进一步通过大位阻试剂还原, 得到天然产物conidiogenol。在导向碳氢键活化方面, 作者采用铑催化乃春插入反应, 实现了B环C8的胺化。随后经过多步转化, 首次实现了B环具有氧化态的天然产物conidiogenone G的合成。
针对D环中C12等惰性位点的氧化, 作者结合分子对接实验结果, 以天然产物conidiogenone等为底物, 对P450 BM3突变体进行了广泛筛选。发现P450 BM3-A3可以对conidiogenone的C12位进行选择性羟化, 在克级反应规模下其收率仍能达到80%, 从而完成了天然产物conidiogenone H的合成。在此基础上, 作者通过消除C12羟基, 并对C12-C13双键进行硼氢化氧化, 实现了氧化态从C12到C13的转移。最后通过氧化态的调整, 实现了天然产物leptosphin C、conidiogenone F、13-epi- conidiogenone F和conidiogenol C等天然产物的合成。
在骨架扩展阶段, 作者尝试在酸性条件下对deoxyconidiogenol和1-epi-deoxyconidiogenol的羟基进行活化, 以模拟生物合成途径中可能出现的C1碳正离子中间体IM-2。实验结果表明, deoxyconidiogenol在高氯酸的作用下, 除了得到部分直接消除的产物外, 还得到了骨架重排产物。类似地, 1-epi-deoxyconidiogenol在相同条件下生成了另一种骨架重排产物。此外, 作者通过SSN(序列相似性网络)指导的基因组挖掘, 不仅鉴定了多个催化相关二萜spiroviolene和phomopsene形成的萜环化酶, 还发现了一个新型二萜骨架amycolatene及其环化酶AcS。
综上所述, 徐正仁研究员课题组运用化学-酶法策略, 基于“异戊烯醇利用途径”的萜类异源合成技术, 在大肠杆菌中实现了cyclopiane二萜骨架deoxyconidiogenol的异源合成, 完成了骨架构建; 通过直接氧化态调整、导向碳氢键活化和酶催化羟化等方式分别实现了A、B和D环的后期官能团化, 完成了10个cyclopiane二萜天然产物的合成; 通过仿生碳正离子重排和基因组挖掘的方式, 进一步扩展了化学空间, 丰富了二萜骨架的多样性。
北京大学药学院徐正仁研究员为论文通讯作者。北京大学药学院2020级博士研究生王涛, 2021级博士研究生邹家胜, 博士后王凯标(已出站), 2022级博士研究生刘元宁为论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。
论文链接: https://doi.org/10.1002/anie.202419092
北京大学药学院 天然药物及仿生药物全国重点实验室 供稿
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