最新刊期
2024年第5卷第5期
合成科学专辑——跨越化学与生物的合成科学新空间
丁奎岭，唐功利，瞿旭东
序
- 摘要：天然产物是小分子药物和探针的重要来源，其合成研究一直以来是有机合成中一个备受关注而又极具挑战性的领域。随着色谱分离技术和结构分析技术的不断发展，微量活性天然产物的发现速度不断加快，其结构的多样性和复杂性也不断增加，而对其构效关系、靶标鉴定、体内活性等方面的研究则需要供应足够量的天然产物，因而对天然产物的合成在效率、经济性和规模等方面都提出了更高的要求。化学-酶法的方式为天然产物的合成研究提供了多维的视角，一方面提供了高效高选择性的酶催化合成方法，另一方面，酶催化反应的引入可以给原先合成策略的设计模式带来突破，并快速、高效地实现天然产物的多样化合成，从而成为近期研究的热点。其中酶催化反应如何有机地整合到天然产物的合成中便成为目前化学-酶法合成成功的关键，本文从当前天然产物化学-酶法的合成实践中总结了酶催化反应所发挥的三方面作用：①对合成起点的改变，即酶催化反应可以在合成原料中引入关键的手性中心或官能团，以体外酶促或体内发酵的方式提供复杂的合成前体，如多取代芳（杂）环、手性池等；②合成后期通过酶催化方式对多官能团底物或复杂骨架的惰性位置进行化学、区域和立体选择性的官能团化；③酶催化反应作为关键步骤在母核骨架构建中关键碳碳键形成方面的策略性应用。最后，本文从合成策略的设计、合成方法的开发以及研究人员思维等三个方面讨论了化学-酶法策略在当下所面临的挑战和未来的发展趋势。在此背景下，化学合成与生物催化等多学科手段的深度交叉融合将为天然产物的合成科学带来新的活力。关键词：天然产物;化学-酶法合成;生物催化;生物合成;后期官能团化3|4|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：甾体化合物因其多功能生物活性和理化特性备受生物医药行业的高度重视，被誉为自然界的“生命之钥”。随着植物甾醇代谢途径的不断解析，国内逐渐形成了“植物甾醇原料-甾体药物中间体-甾体药物”的工业合成路线。日益发展的甾药行业需要不断开发新的合成技术推进甾体药物自上而下高效合成。基于生物信息学、合成生物学、代谢工程以及酶工程的快速发展，甾体化合物的合成技术也取得了重大突破。本文对重要甾体化合物的最新合成进展，包括甾体药物中间体的多样化合成、复杂甾体的化学酶法合成和酵母从头合成植物甾醇原料等方面进行了综述，特别强调了近年来P450羟化酶、3-甾酮-Δ1-脱氢酶、还原酶以及酶级联参与的化学酶法在高效简易合成复杂甾体药物中的代表性工作；在此基础上，也从新一代甾药中间体的开发、新型甾体生物催化剂的挖掘、以分枝杆菌为底盘的甾体合成途径的构建等方面对甾体化合物未来的研究机会和挑战进行了展望。关键词：甾体化合物;底盘菌株;化学酶法;区域-立体选择性;酶级联3|2|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：随着基因挖掘、生物信息学、酶工程等多学科的交叉融合与协同创新，将绿色高效的酶催化反应与现代有机合成方法相结合的化学-酶法合成策略逐渐发展成为合成活性天然产物、药物分子和其他具有重要价值的有机分子的有力工具。其中细胞色素单加氧酶P450能够选择性地实现惰性C—H氧化这一经典的挑战性化学转化，为活性天然产物的高效合成提供了新的思路，成为合成科学领域的研究热点之一。本文以结构类型进行分类，综述了P450选择性氧化在甾体、萜类以及其他类型天然产物化学-酶法合成中的应用进展，并分析了相应的酶催化反应在提高目标产物合成效率方面起到的关键作用。此外，还讨论了该领域目前所面临的挑战，例如主要集中在对酶天然功能的利用，并缺乏对反应位点的准确预测等；同时从酶资源挖掘、酶的改造等多个角度出发展望了未来能够为这些挑战提供解决方案的研究方向和新兴技术，包括高通量筛选技术、AI辅助酶工程等等。关键词：天然产物合成;化学-酶法合成;P450单加氧酶;C—H键官能化;化学选择性2|4|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：核糖体肽是一类拥有化学结构和生物活性多样性的多肽天然产物家族，在药物开发方面具有巨大的发展潜力。氨基乙烯半胱氨酸（AviCys）是部分核糖体肽类天然产物中存在的一种特殊C末端交联结构单元。含有AviCys单元的核糖体肽类天然环肽往往具有优良的抗菌或抗肿瘤活性，且AviCys大环结构对其生物活性至关重要。本文围绕此类天然环肽的生物合成和化学合成进行了总结：①羊毛硫肽、lipolanthines、linaridins和thioamitides四类核糖体肽天然产物中AviCys结构单元的生物合成研究进展，主要包括C末端半胱氨酸的氧化脱羧反应，丝氨酸/苏氨酸或半胱氨酸脱水或脱硫反应，以及AviCys环化反应；②针对含AviCys结构单元环肽的化学合成方法，包括自由基硫醇-炔偶联、氧化脱羧/脱羰、酰胺与缩醛缩合等。本综述同时对相关研究中存在的若干挑战和尚待解决的问题进行了梳理和总结，包括生物合成过程中尚未得到深入解析的环化步骤、化学合成中尚未解决的立体选择性和化学兼容性等。综上，对含AviCys结构单元天然环肽的生物合成途径全面解析及化学合成方法的开发， 有望为此类生物功能环肽及其衍生物的制备与生物工程改造奠定基础，推动该类功能环肽在生命科学和药物科学领域的应用。关键词：核糖体肽;天然产物;氨基乙烯半胱氨酸;生物合成;化学合成2|2|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：光催化具有条件温和、可再生、反应性强等优点，然而由于自由基的高活性往往导致其选择性难以调控，限制了光催化在不对称有机合成中的广泛应用。酶催化虽具有高选择性和专一性的优势，但这也导致其存在反应类型单一和底物谱窄等缺陷。将反应性强的光催化与选择性高的酶催化相结合的光酶催化则可以提供一种全新的合成模式，实现优势互补，更加符合现代绿色有机合成的要求。狭义的光酶催化反应，也就是光酶协同反应一般包括以下四类：天然光酶反应，人工光酶反应，光催化与酶催化的偶联反应以及光酶催化混乱性反应。近年来，光酶催化的研究蓬勃发展，解决了许多传统有机合成中难以实现的问题，尤其是在不对称合成领域已占据重要地位。例如，脂肪酸光脱酸酶可以催化长链脂肪酸脱羧转化为相应烃类；结合光敏辅因子和蛋白骨架的人工光酶大大拓展了酶的应用范围，催化更多样化非天然有机化学品的生物合成；光催化剂催化光化学反应与酶催化反应的偶联方式可以实现一些复杂的有机合成过程；以及近年来一些含有光敏辅因子的氧化还原酶在光激发下催化新分子混乱性反应的功能。尽管已有许多文献对相关研究进行了总结，但是自2023年以来，光酶催化混乱性研究不断突破，涌现出许多全新的光酶催化反应类型和反应机理，立体选择性和区域选择性的精准调控更是满足了不对称合成的重大需求。对于这个飞速发展的领域，系统归纳其成果仍显得至关重要。因此本综述聚焦在光激发下光敏辅因子依赖型酶催化的混乱性反应最新研究成果，根据不同催化反应类型，分别介绍光酶通过自由基途径实现不对称脱卤、氢化、分子内环化、分子间C—C/C—N/C—S键交叉耦合等非天然反应。这些反应由于酶和底物的不同，展示了不同机理。例如在氧化还原起始过程中，包括单电子还原起始和单电子氧化起始两种类型；在自由基终止过程中，可能采用单电子还原终止和单电子氧化终止，而单电子还原终止方式中也存在氢原子转移和电子转移/质子转移耦合过程等不同情况。机理的多样性也为拓展更多的光酶催化混乱性反应提供了可能。在未来，新型的光酶催化方法将在快速发展的基因工程、合成生物学、酶工程，以及流动化学、人工智能等学科和技术的推动下，涌现出更多高效、高选择性的新分子新功能反应，显著拓展光酶催化方法在有机合成（尤其是绿色不对称合成）领域中的应用范围。关键词：光酶催化;非天然反应;不对称合成;合成生物学;混乱性反应2|2|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：手性选择性的调控一直是合成化学的重要研究主题。酶是绿色、高选择性的天然手性催化剂，但在绿色生物合成中的应用受限于进化形成的分子结构和催化机制，光催化通过捕获光子能量实现底物分子的化学键活化，是引发自由基反应的重要策略，融合光化学和酶的光生物催化正成为不对称催化合成的新兴合成工具。利用蛋白质改造、定向进化等先进分子生物学技术，基于光化学的化学原理挖掘辅酶的非天然催化功能，探索光催化剂与酶的协同耦合作用新模式，理性设计人为定义功能的人工光酶，能突破天然酶催化的底物谱和反应类型，有效弥补天然光酶的稀缺性，拓展生物催化的化学边界和合成空间。本文综述了化学原理驱动光生物催化不对称反应的最新研究进展，依据光和酶之间的耦合模式和催化机制，将文献分为外源光催化剂与天然酶耦合、电子供体-受体复合物激发驱动的光酶催化、辅酶直接光氧化还原和光酶能量转移催化四种不同类型，分别详细探讨其分子活化机制和立体化学调控的化学原理。此外，本文也对光生物不对称催化存在的辅酶类型单调、催化效率低等挑战进行了总结，并从天然酶库的深度挖掘、人工光酶类型的拓展、酶的从头设计和全细胞催化等角度展望了未来的发展方向，通过化学和生物融合实现高价值功能分子的绿色生物制造，推动合成化学的可持续发展。关键词：光生物催化;不对称催化;人工光酶;定向进化;手性合成1|1|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：萜类化合物是自然界中广泛存在的一类具有重要生理功能和显著生物活性的天然产物，在食品、医疗及日化行业有着广泛的应用。在萜类化合物的生物合成途径中，萜类合酶往往决定了萜类碳骨架的种类和结构新颖性，细胞色素P450酶等后修饰酶则可对碳骨架进行多种修饰，最终形成结构和功能都具有丰富多样性的萜类化合物。近年来，随着基因测序技术与合成生物学的发展，大量植物和微生物来源的萜类生物合成酶被表征，令人兴奋的是，其中包含一些与经典萜类合酶不同的非常规萜类合酶，它们亦可催化生成独特的环化萜类骨架。与此同时，利用组合生物合成等策略，人们创造了许多新颖的非天然萜类化合物，进一步丰富了萜类资源库。本文综述了近5年在非常规萜类环化酶与组合生物合成途径等方面取得的最新研究进展，以期为未来新型萜类化合物的发现和生物合成提供启示。本文首先综述了新发现的具有萜类环化功能的新酶，包含Ⅰ型萜类合酶新亚族、非角鲨烯来源三萜合酶、UbiA型萜类环化酶、细胞色素P450氧化酶、甲基转移酶、钒依赖卤素过氧化物酶、卤代酸脱卤酶等，同时还对其序列、功能和可能的环化机制进行了介绍，有助于理解自然界中萜类生物合成酶的进化起源和发现新颖萜类化合物。然后，本文介绍了非常规萜类衍生物的组合生物合成，通过将萜类合酶与甲基转移酶、天然或人工细胞色素P450氧化酶进行组合，产生了一系列包含非常规C11、C16骨架以及具有不同氧化形式的非天然萜类化合物，可为往后萜类化合物的结构创新研究带来启发。这些新颖酶元件的挖掘与新型组合生物合成途径的构建，将进一步拓宽萜类化合物的结构多样性和化学空间，有望为临床萜类药物研发提供更多的潜在小分子。关键词：萜类化合物;非常规萜类合酶;细胞色素P450酶;组合生物合成;C16萜类7|3|1更新时间：2025-03-19
- 摘要：糖基化修饰在各类生理活动中起着非常关键的作用。然而，天然糖蛋白中糖型结构的微观异质性，严重阻碍了糖型结构与糖蛋白功能之间构效关系的研究。因此，从分子层面精确控制糖蛋白结构的化学合成方法是解决这一难题的重要手段。随着蛋白质合成和糖工程技术的不断进步，研究者们发展多种蛋白质连接策略和糖苷键构建策略来精确合成均质糖蛋白。本综述将从化学、酶法构建糖苷键的角度梳理现有的糖蛋白全合成以及结合生物表达方法的半合成策略，分别介绍这些策略在合成带有N-糖基化、O-糖基化修饰等不同糖基化类型的复杂均质糖蛋白时所取得的成果，例如带有多个复杂N-糖基化修饰的HSV gD和含有长疏水片段的IL-2；以及运用这些合成的复杂糖蛋白了解糖基化修饰在各项生理过程中的构效关系所作出的突破，例如抗原糖蛋白中糖链长短与免疫原性的关系、O-GlcNAc调节神经元突触功能的机制等。最后总结了现有合成策略在糖苷键构建、纯化策略、蛋白溶解度等方面取得的进展，并指出选择性和合成产率的进一步优化仍是糖蛋白合成领域亟待解决的问题，而糖蛋白合成技术在开发免疫疗法以及理解各种疾病分子机理等方面的广泛应用，从理解原理到开发产品方面拓展了合成科学在生命健康领域的发展方向。关键词：糖蛋白;糖肽;构效关系;化学合成;化学酶法合成2|2|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：DNA编码化合物库（DNA-Encoded Library，DEL）技术作为一种新兴的小分子药物筛选手段已经成为新药研发中不可或缺的重要技术平台。与核酸兼容（on-DNA）的化学反应对于构建具有丰富化学空间和结构多样性的DEL具有重要意义。近年来，on-DNA化学反应的数量不断增加，极大地拓宽了可用于DEL构建的化学反应范畴。同时，一系列创新性的反应方法，诸如光催化、固相合成以及生物合成等，亦在on-DNA化学反应领域不断涌现，进一步推动了该领域的发展。本文系统综述了近年来金属催化的on-DNA化学反应，包括：C（sp2）—C（sp2）键生成反应、C（sp3）—C（sp3）键生成反应、C（sp2）—C（sp3）键生成反应以及C（sp2）—X键生成反应；采用目标导向合成策略和多样性导向合成策略合成具有单环、稠环、螺环等on-DNA优势骨架；光催化和酶催化on-DNA化学反应等的研究进展。然而，目前开发的on-DNA化学反应仍然存在诸如与核酸的兼容性、底物适用性等问题，开发更高效、更稳定且能在温和条件下进行的on-DNA化学反应，发展新型的on-DNA化学反应类型，以及结合高通量筛选和计算机辅助的on-DNA反应开发仍然具有重要意义。关键词：DNA编码化合物库;on-DNA化学反应;合成策略;生物合成2|2|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：世界的数字化给人们的生活带来了极大的变化，但与此同时，史无前例的数据激增使得信息存储面临的挑战日益严峻。随着全球数据总量的指数级增长，传统存储介质将无法满足数字化带来的存储需求。使用DNA分子作为基本载体的信息存储展现出高存储密度、低维护成本和易于化学修饰等独特优势。DNA存储主要包括编码、写入、保存、检索、读取和解码六个主要步骤，其中数据的写入是实现DNA存储功能的基础。本文首先介绍DNA存储系统中体外写入数据的策略方法，主要分为将数据写入DNA序列和写入DNA结构两个部分，接着概述体内写入数据技术的发展，最后将讨论DNA存储系统中数据写入面临的写入成本高、写入速度慢等挑战，并对大规模合成高纯度DNA、改进生物酶等具有前景的应用技术进行展望。关键词：DNA存储;DNA合成;核酸序列;DNA纳米技术;框架核酸材料1|1|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：为了实现碳中和绿色经济，人们利用生物炼制技术对二氧化碳（CO2）进行转化利用。其中，微生物电合成（MES）是通过电能驱动生物催化剂将CO2转化为化学品的新兴技术。目前MES仍存在微生物固碳效率低、电子传递机制未明确、产品合成速率低、反应器元件适用性差等问题，这成为其规模化应用的限制因素。本文基于阴极微生物获得电子的途径，系统综述了电极、H2、甲酸、CO以及其他电子供体在MES系统内的电子供给机制。通过合成生物学改造电活性微生物的导电纳米线，优化微生物相关氢化酶、甲酸脱氢酶和CO脱氢酶的表达是提高电子传递效率的有效方法。进一步通过阴极修饰，强化微生物-电极间电子传递速率、提高生物相容性，提供更多的还原力有利于高附加值产物的生成。除了增强阴极的电子传递效率，构建具有高效气液固传质和电子传递的反应器、降低阳极电解水电位和调控微生物活性等也被证明是提高MES性能的重要策略。未来需要进一步解析微生物电子传递机制，利用合成生物群落的方式强化MES的性能，并构建更加高效的电极界面，兼顾电子传递速率、底物传质和生物相容性。反应装置放大方面，可通过多种方式的结合来提升电子传递和气体传质，并将产物的分离也融合在一起，推动该技术的进一步发展，为“双碳”目标的实现提供新思路。关键词：微生物电合成;CO2转化;电子传递机制;化学品;合成生物学1|1|0更新时间：2025-03-19
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一碳生物转化合成有机酸的研究进展 封面论文
摘要：有机酸在食品、医药、化工、农业等领域有着广泛的应用。目前有机酸的生产主要以微生物发酵法为主，采用糖类为原料，然而长此以往可能面临“与人争粮”的困境。CO、CO2、甲烷、甲醇和甲酸等含有一个碳原子的物质被称为一碳（one carbon，C1）资源，其来源广泛且价格低廉，有望成为生物制造的替代原料，且C1原料生物转化有助于缓解温室效应、助力“碳中和”目标。本文总结了近年来CO2、甲烷和甲醇生物合成3种重要有机酸（3-羟基丙酸、乳酸、琥珀酸）的研究进展，主要论述了C1生物利用途径、有机酸的生物合成途径以及代谢工程策略，也讨论了C1合成有机酸的挑战及应对措施，并展望了有机酸产业化新路线，尤其是化学催化与生物转化耦合以CO2为原料合成有机酸。本综述对于C1生物炼制以及有机酸产业升级具有一定的参考意义。关键词：C1生物炼制;代谢工程;3-羟基丙酸;乳酸;琥珀酸8|2|1更新时间：2025-03-19 - 摘要：CO2生物转化技术的开发为解决能源转型和气候变化问题提供了可能。人工光合群落是由密切协作的光合自养微生物与异养微生物组成的新一代生物炼制平台，能够通过群落成员间的互利代谢分工，高效地利用光能将CO2直接转化为生物质和多种化学品，是实现负碳生物制造的潜在途径之一，因其在适用性和鲁棒性方面的优势受到了广泛的关注。近年来，随着系统生物学研究和合成生物技术的快速发展，多种研究策略被用于人工光合群落的设计与优化，取得了长远的进展，促进了对光合群落生产的理解。本文综述了光合群落的互作机制、独到优势和系统生物学研究方法，着重介绍人工光合群落的底盘升级、固定化/区室化技术、加强内部多层次调控等设计与优化策略以及在不同领域的应用进展。在此基础上，探讨了进一步将人工光合群落规模化应用所面临的光合效率和中间碳水化合物限制以及外源生物污染等潜在挑战，对纳米半导体材料杂合、物种间精细互作关系调控、基于多组学数据的群落模型构建等未来的改造方向和研究策略进行了展望。关键词：合成生物学;光合群落;负碳生物合成;CO2利用;系统生物学;群体感应2|2|0更新时间：2025-03-19
- 摘要：合成生物学为新材料合成提供了无限可能，将为材料学带来变革性影响。环境友好型材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为合成生物学与材料学深度融合的产物，是微生物胞内合成一类线性高分子聚酯，被认为可部分替代传统化学塑料。PHA含有至少150种单体，其组成、结构及性能的多样性带来了广泛的应用前景，形成了PHA家族或组学。PHA在学术界和产业界已深入研究了30多年，其中个别PHA材料已实现了商业化生产。利用合成生物学和代谢工程重新编程高性能微生物底盘细胞，并控制不同前体底物比例，可实现具有不同结构和性能的PHA材料的定制化合成。下一代工业生物技术是基于嗜盐微生物的节能节水的连续无灭菌开放式工业发酵工艺，能大幅度降低生产成本，更推动了PHA材料的低成本规模化生产。本文就PHA家族的组成以及工程化微生物底盘利用下一代工业生物技术高效低成本地合成多样化的PHA材料方面的进展做一简要综述，将重点介绍PHA家族的单体组成、材料性能和包含塑料、医用、能源、智能材料等领域的PHA应用价值链，以及重编程的假单胞菌和嗜盐单胞菌在PHA定制化低成本合成中的一些工程化技术和成果、产业化应用情况，并针对如何进一步降低生产成本及提高材料性能进行探讨。本文对基于合成生物学的生物材料定制化合成研究有重要参考价值。关键词：聚羟基脂肪酸酯;聚3-羟基丁酸酯;定制化材料;嗜盐单胞菌;下一代工业生物技术;PHA组学2|2|1更新时间：2025-03-19
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