近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室、广东省海洋药物重点实验室科研人员在海洋链霉菌来源吲哚生物碱类和多环内酰胺类活性次级代谢产物的生物合成机制解析方面取得新进展，相关成果分别以“Genome mining reveals a carboxyl O-methyltransferase gatekeeping the biosynthetic divergence of tryptophan dimers”和“Deciphering the biosynthetic logic for C14 oxidative modifications of polycyclic tetramate macrolactams”为题发表在化学领域权威期刊Organic Letter（有机化学通讯）和Chinese Journal of Chemistry（中国化学），并均被选为封面文章。

海洋微生物在适应高盐、高压、黑暗、低温（或局部高温)、寡营养等严酷的生存环境压力下，进化出了与之相适应的生理生化特征或特殊的代谢途径，因此可产生化学结构复杂或生物活性独特的次级代谢产物，对这些产物的生物合成机制进行深入研究可为其结构改造和绿色生物制造提供重要理论依据。

细菌来源色氨酸二聚体(TDs)是一类具有显著生物活性的天然产物，其中midostaurin (商品名Rydapt®)已被FDA批准用于治疗白血病。研究团队前期从深海来源链霉菌Streptomyces marincola SCSIO 03032中发现了3类具有细胞毒活性的TDs (包括SPMs、LNMs和IDMs)，克隆鉴定了参与TDs的生物合成基因簇(spm)，证实spm为非典型基因簇，即在基因簇外存在游离的生物合成基因。近期，研究团队成功从菌株SCSIO 03032基因组中鉴定了一个游离在spm基因簇外的甲基转移酶SpmM1，从其突变株中分离获得了5个新颖的色氨酸二聚体IDMs，通过生化表征确定SpmM1负责催化LNMs中吡咯环侧链羧基的氧甲基化，进一步结合喂养实验证实SpmM1通过甲基化反应控制SPMs和IDMs生物合成途径的分化，且羧甲基为SPMs形成的特异识别位点。以上结果为鉴定其它游离在基因簇外的后修饰酶提供了研究思路。副研究员马亮和博士刘智文为本文共同第一作者，研究员张长生为通讯作者。

图1 色氨酸二聚体生物合成途径中游离甲基转移酶SpmM1的功能研究

多环内酰胺类天然产物（PoTeMs）具有复杂的化学结构和良好的生物活性，是药物先导化合物和生物农药的重要资源。PoTeMs的化学合成步骤多、收率低，但生物合成却非常简洁和保守，可通过途径改造实现不同类型PoTeMs的绿色定制生产。遗憾的是，目前仍缺少高效、干净的底盘宿主应用于PoTeMs基因簇的异源表达，且尚不清楚数量最多的5/5型和5/5/6型PoTeMs结构中C14位氧化修饰差异的生物合成机制。研究团队通过大片段敲除改造海洋链霉菌Streptomyces sp. ZJ306，构建了专属生产PoTeMs多烯前体的干净底盘细胞306A，为实现PoTeMs生物合成基因“即插即用”和药源PoTeMs的结构多样化奠定了基础。团队进一步通过在底盘细胞306A中的组合生物合成比较研究表征了南海来源放线菌Streptomyces falvogriseus SCSIO 40032中沉默PoTeMs基因簇fla的生物合成途径，通过喂养和同位素标记实验证实黄素环化酶FlaB1在催化C6–C13环化的同时引入羟化和环氧化修饰，体外实验进一步确定P450酶FlaD及其同源酶FtdF、SSHG_05717负责将5/5/6型PoTeMs中的C14位羟基转化为酮基，同时催化后续的C12位羟化。基于以上结论，本研究成功揭示了5/5型和5/5/6型PoTeMs中C14位迭代氧化修饰的生物合成逻辑。2022级博士研究生蒋鹏为本文第一作者，研究员张长生与副研究员张丽萍为共同通讯作者。

图2 PoTeMs异源表达底盘细胞306A构建及C14位迭代氧化机制解析

以上工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金委重大项目、广东省基础与应用基础研究基金项目等资助。

论文信息：1、Liang Ma,^# Zhiwen Liu,^# Wenjun Zhang,Yiguang Zhu,Liping Zhang,Weiliang Xiong,Xiao-Nian Li,Xinpeng Tian,Changsheng Zhang.* Genome mining reveals a carboxyl O-methyltransferase gatekeeping the biosynthetic divergence of tryptophan dimers. Organic Letters,2025, 27 (23): 5936-5941. 

2、Peng Jiang, Hongbo Jin, Wenjun Zhang, Wei Tang, Xiaodong Jiang, Yiguang Zhu, Ying Wang, Liping Zhang,* and Changsheng Zhang.* Deciphering the biosynthetic logic for C14 oxidative modifications of polycyclic tetramate macrolactams. Chinese Journal of Chemistry, 2025, 43 (5): 483-490.  

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.orglett.5c01012

          https://doi.org/10.1002/cjoc.202400982