天然產(chǎn)物化學(xué)研究的生物合成、生物轉(zhuǎn)化和生物工程
化學(xué)先生 / 2019-07-24
生物合成是在天然產(chǎn)物化學(xué)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門邊緣學(xué)科,研究?jī)?nèi)容包含代謝產(chǎn)物前體、中間體和終產(chǎn)物在生物體中的形成過(guò)程、機(jī)制和規(guī)律以及與代謝產(chǎn)物生物合成相關(guān)的生物大分子(酶和基因等)的結(jié)構(gòu)、功能和作用,并利用生物方法進(jìn)行有機(jī)化合物合成和轉(zhuǎn)化等。天然產(chǎn)物生物合成研究不但對(duì)從分子水平上認(rèn)識(shí)生命過(guò)程中代謝產(chǎn)物的形成和作用具有重要意義,而且對(duì)天然產(chǎn)物的人工調(diào)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(jī)制進(jìn)行有機(jī)化合物的仿生合成等方面具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。大量新型天然產(chǎn)物的生物合成途徑仍然處于假設(shè)狀態(tài),有待實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
生物轉(zhuǎn)化是利用生物體或生物組織培養(yǎng)體系完成常規(guī)化學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng),進(jìn)行有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的衍生化合成的研究。以往主要以微生物(消化道細(xì)菌和真菌)體系研究甾體、萜類和其他天然產(chǎn)物為主。近年來(lái),通過(guò)植物組織培養(yǎng)進(jìn)行的天然產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化研究也取得了一定進(jìn)展,如煙草組織培養(yǎng)對(duì)蒂巴因的轉(zhuǎn)化,毛花洋地黃組織培養(yǎng)對(duì)甲基洋地黃毒苷的轉(zhuǎn)化等。另外,利用微生物培養(yǎng)進(jìn)行的手性合成研究也有報(bào)道。近年來(lái),天然產(chǎn)物在生物體內(nèi)形成過(guò)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(cè)序和表達(dá)研究取得了較大進(jìn)展,尤其是微生物體內(nèi)聚酮類抗生素化合物和動(dòng)物體內(nèi)與多種疾病相關(guān)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(jìn)展顯著。通過(guò)生物工程的方法進(jìn)行天然產(chǎn)物的生物轉(zhuǎn)化、調(diào)控及其生物合成途徑研究,為天然產(chǎn)物化學(xué)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(yīng)進(jìn)行活性天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)選擇性修飾、改造、轉(zhuǎn)化以及全合成的研究已有很多成功的實(shí)例。尤其近年來(lái)在核酸、核苷酸和糖類的酶催化領(lǐng)城取得了顯著進(jìn)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(jìn)行大量有機(jī)化合物衍生物的合成,其特點(diǎn)是在衍生物合成過(guò)程中應(yīng)用了生物合成步驟的組合而不是化學(xué)反應(yīng)試劑的組合,體現(xiàn)了生物體中化學(xué)反應(yīng)的特性(化學(xué)、位點(diǎn)和立體選擇性),減少了官能團(tuán)的保護(hù)和去保護(hù)步驟,具有潛在的優(yōu)勢(shì);通過(guò)組合生物催化已成功地建立了-些活性天然產(chǎn)物的組合化學(xué)庫(kù),如基于黃酮類化合物bergenin和紫杉醇的組合生物合成庫(kù)。