近日，微生物代谢全国重点实验室由德林团队在《ACS Catalysis》上发表了题为“Engineering O-methyltransferase for the biocatalytic synthesis of ribosome-targeting anisomycin derivatives” 的研究论文。该研究聚焦农用抗生素茴香霉素生物合成途径中的后期修饰环节，以O -甲基转移酶AniK为改造靶点，创新性地将结构指导理性设计与人工智能辅助计算筛选相结合，实现了酶分子的高效定向进化。同时，依托自主结构生成算法 DELETE 设计了全新的衍生物骨架，并结合一锅多酶级联催化体系，成功合成了14种茴香霉素衍生物。这一成果为核糖体靶向类茴香霉素化合物的精准结构衍生化开辟了全新技术策略。上海交通大学博士研究生林百欣和李思远为共同第一作者，孔令新副研究员与由德林教授为共同通讯作者，本室为第一通讯单位。

图1 氧甲基转移酶AniK突变体与卤代烷基甲基转移酶AclHMT一锅法合成茴香霉素衍生物

研究背景

茴香霉素（anisomycin）属于天然吡咯烷类抗生素，通过特异性结合真核生物核糖体的肽基转移酶中心，阻碍氨酰-tRNA进入A位点以抑制蛋白质合成。该作用机制在多种生物的核糖体中高度保守。其与核糖体的结合依赖于两个关键区域，分别是四氢吡咯环骨架（C3 位关键酰基取代基与 25S rRNA的U1311形成氢键）和甲氧基苯基（嵌入核糖体 A 位点疏水凹槽，阻碍tRNA入驻与肽键生成）。其中，对甲氧基苯基的结合口袋空间充裕，是分子结构改造的理想位点。研究表明，将该位点甲基替换为异丙基、炔丙基等大位阻基团，能够显著提升衍生物的抗寄生虫活性。但传统化学合成难以在酚羟基位点高选择性引入非天然烷基修饰，普遍存在路线繁琐、选择性差和产物收率低等瓶颈。

研究进展

为实现茴香霉素酚羟基位点的定向结构修饰，研究团队首先通过蛋白结构解析，识别出环绕SAM硫中心的位阻门控区域（图2A）。经定点突变筛选，获得了催化活性提升14倍的突变体M144A，奠定了多样化合成的酶学基础。研究进一步采用深度学习分子生成算法 DELETE，预测并筛选出45个AniK可容纳的优质候选分子，按酚羟基取代基类型划分为卤代、芳香、极性与脂肪族四大类。同时，借助AI辅助分层计算筛选策略HiCS（图 2C），精准定位了能大幅提升催化活性的远端突变位点（图 2D-2E）。在此基础上，将改造后的卤代烷基甲基转移酶 AclHMT-v16 与优化突变体M144A-A133D联用，构建一锅多酶级联催化体系，一次性合成14种差异化茴香霉素衍生物（图 2F）。活性测试表明，衍生物7与15具备更优异的抗皮肤癣菌活性。

图2 AI设计偶联理性设计改造AniK

总结与展望

由德林教授团队长期深耕茴香霉素生物合成与结构改造领域。此次研究耦合酶分子改造和人工智能分子设计，成功搭建了绿色高效的茴香霉素结构衍生化平台，是团队继解析生物合成基因簇、阐明吡咯烷环形成机制、实现酰基衍生改造、构建高产菌株、开发多功能转酮酶催化体系等系列成果后的又一重要进展。该平台不仅能快速拓展核糖体靶向抗生素的活性化学骨架，还可高效挖掘构效关系，为新型抗菌药物先导化合物的开发提供了一条便捷、通用的技术路线。相关成果已先后发表于Proc Natl Acad Sci、Appl Environ Microbiol、Synth Syst Biotechnol等期刊。该研究获得了国家自然科学基金（32570069、32170077、32170075）的资助。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.6c02854