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为探究细菌萜类合成酶（TSs）功能，挖掘新型二萜天然产物，研究人员筛选 334 个未表征 TSs。发现 125 个具二萜合成酶（di - TSs）活性，鉴定出 28 种二萜，含 3 种新骨架等。该研究助力新天然产物发现等，意义重大。
在神奇的生物世界里，萜类化合物是自然产物中最大且结构最多样的家族，超过 10 万种已知化合物，广泛用于制药、除草、调味等领域。不过，细菌来源的萜类却很少，尤其是二萜，在约 25000 种二萜中，来自细菌的不到 1%。尽管如此，负责构建萜类碳氢骨架的萜类合成酶（TSs）在细菌基因组中却广泛存在。这就好比在一座神秘的宝藏山里，明明知道有很多宝藏（TSs），但能找到的宝贝（细菌萜类）却寥寥无几。为了揭开这座宝藏山的秘密，美国佛罗里达大学（University of Florida）的研究人员开展了一项意义非凡的研究。
研究人员通过筛选 334 个未表征的 TSs，探索和拓展细菌二萜的天然化学空间。他们发现，在这些 TSs 中，有 125 个（37%）具有二萜合成酶（di - TSs）活性。从 31 个 TSs 中分离并鉴定出 28 种二萜，其中有 3 种是此前从未报道过的萜类骨架，还有一些是在其他生物中已知但在细菌中首次发现的二萜，以及新的结构和立体化学异构体。此外，研究人员还鉴定出了来自粘细菌和蓝细菌的 I 型二萜合成酶。
这项研究意义重大。它不仅帮助发现了新的天然产物，推动了萜类生物合成和酶学的研究，还为探究萜类的生态作用提供了模型系统。就像打开了一扇通往新世界的大门，让人们对细菌萜类有了全新的认识，也为未来开发新的药物、生物催化剂等提供了可能。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员开展研究时用到了几个关键技术方法。在筛选 TSs 活性方面，运用大肠杆菌（E. coli）异源表达系统，无需纯化蛋白或合成底物就能检测产物。结构鉴定时，利用核磁共振（NMR）、气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）和振动圆二色谱（VCD）等技术确定二萜结构。
下面来看看具体的研究结果：
- 细菌萜类合成酶的基因组挖掘：研究人员利用多种生物信息学工具，从 8 个门、17 个纲和 83 个属的细菌中挑选出 334 个 TSs 进行功能分析。通过大肠杆菌异源表达系统初筛，发现 125 个阳性结果（37%），随后选取 31 个 TSs 进行大规模发酵，用于二萜的分离和结构鉴定。
- 发现并鉴定三种新的二萜骨架：从粘细菌 Melittangium boletus 的 TS（TiqS）产生了具有 5/5/5/5 - 稠合四环骨架的 Tetraisoquinene（1）；从表达链霉菌 Streptomyces albireticuli 的 SalS 的大肠杆菌中分离出具有 7/5/6 三环骨架的 Salbirenol（2）；从 Chitinophaga japonensis 的 ChtS 产生的主要产物之一是具有 5/11 - 双环骨架的 Chitino - 2,5 (6),9 (10) - triene（3）。这些二萜的结构和绝对构型通过 NMR、GC - MS 和 VCD 确定，且它们的骨架此前均未被报道过。
- 细菌产生其他生物中发现的二萜骨架：研究发现了 5 种此前未在细菌中发现的已知二萜骨架。如 Peysonnosene（4），与从海洋红藻中分离出的 peyssonnosides 具有相同的 5/6/3/6 - 稠合四环骨架；Clavulara - 1 (15),17 - diene（5），与珊瑚二萜 clavularanes 具有相同的平面骨架；Variediene（6），此前已知由真菌产生，此次在细菌中发现其合成酶；还鉴定出两种 verticillene 合成酶，分别产生 1S - verticilla - 3,7,11 (12) - triene（7）和 1S - verticilla - 3,8 (19),11 (12) - triene（8）；此外，还发现了一种来自 Chitinophaga japonensis 的双功能 TS，能产生 (-)-sandaracopimaradiene（9）。
- 细菌中普遍存在已知骨架的异构体：研究人员鉴定出多种具有已知平面骨架，但烯烃位置不同或为已知二萜非对映异构体的二萜。如两种链霉菌的 TSs 分别产生与 venezuelaene A 相关的化合物，还有其他不同的 TSs 产生不同的二萜异构体，包括 dolabellatrienes 及其异构体等。
- 不同的 TSs 构建相同的二萜：研究发现，不同序列的 TSs，常来自不同的门或属，可形成相同的产物。如 Benditerpetriene（19）可由两种不同的 TSs 产生；Prehydropyrene（20）由 SPhpS 和 CpPhpS 产生；Micromonocyclol（21）由多个 TSs 重新发现；还有多种 TSs 产生相同的 14 - 元单环二萜等。
- 通过体外表征验证二萜产物：研究人员对编码 TiqS、SalS 等 6 种 TSs 的基因进行亚克隆并纯化，体外实验结果表明，这些 TSs 在体外催化的反应与在异源表达系统中一致，证实了分离出的产物是真正的细菌二萜。
研究结论和讨论部分再次强调了该研究的重要意义。通过基因组挖掘筛选大量细菌 TSs，极大地增加了已表征的细菌 di - TSs 数量。研究发现细菌萜类组比之前认为的要大得多，新发现的二萜可能是更复杂二萜天然产物的前体。此外，还鉴定出了来自粘细菌和蓝细菌的 I 型二萜合成酶，在一些之前未知能产生萜类的生物中也发现了功能性 TSs。这一系列发现为进一步研究萜类的生物合成、酶学机制以及生态作用等提供了重要基础，也为未来从细菌中挖掘更多有价值的天然产物开辟了新的道路 。
