Science：非核糖体肽合成酶的进化工程

文章介绍了天然产物在药物发现中的重要性，如何通过合成生物学和基因工程的方法来克服天然产物转化为临床药物的挑战。文章详细介绍了非核糖体肽合成酶（NRPS）的功能、进化以及如何利用这些知识来设计新的生物合成途径。

　　

天然产物（NP）在药物发现中扮演着关键角色，近40年新开发的药品中有近一半源自天然产物。然而，天然产物复杂的结构使得其转化为临床药物面临重大挑战，尤其是在化学衍生化或全合成方面，尤其是大规模合成。这种复杂性限制了结构-活性关系的研究，阻碍了基于天然产物的线索药物的发展。

非核糖体肽合成酶（NRPS）：

细菌中的天然产物通常源自非核糖体肽合成酶 (NRPS) ，非核糖体肽合成酶就成为合成生物学的理想靶标。非核糖体肽合成酶其实是一种大型的酶复合体，它在细菌中负责合成多种非核糖体肽（NRP）， 甚至临床药物，例如青霉素、博莱霉素和环孢菌素。这些酶复合体由多个酶结构域模块组成，每个模块——酶活中心（如腺苷酸化域、硫酯化域、缩合域等）催化特定的化学反应，然后将产物传递到下一个模块，逐步构建肽链和进行化学修饰，并在适当的时候释放成熟的肽。

非核糖体肽合成酶的进化：
这种装配线机制的逻辑激发了研究人员设计大型合成酶、用于生产天然产物模拟物的尝试。技术和结构数据的最新进展，公开基因组数据的持续增长，以及努力开发生物合成基因簇 (BGC)和识别天然分子的处理工具，加速了大合成酶工程创新合成生物学策略的开发。了解这些通常巨大的多功能酶机器的进化机制可以增强我们重新设计装配线蛋白质的能力，在保持高生产滴度的同时实现更大的结构多样性，因此有可能扩大我们的治疗分子库。

NRPS的进化涉及基因重组、物种形成、水平基因转移等过程。特别是，NRPS的A域（负责选择和激活延伸单元）内的子域交换是NRP多样性的关键驱动力。这种子域交换允许NRPS适应新的功能，从而合成新的肽类化合物。

合成生物学和基因工程的挑战与机遇：
尽管NRPS在合成生物学中具有巨大潜力，但设计和工程化这些复杂的酶复合体仍然充满挑战。为了克服这些挑战，研究者们开发了新的策略，如XUT（交换单元）方法，这种方法模仿自然进化中的基因重组事件，通过合成生物学手段重新设计NRPS，以生产新的肽类化合物。工程化的交换单元方法扩大了结构多样性，超越了自然多样性的局限性。XUT方法可以有效地将T结构域之后的装配线更改为C结构域以外的装配线，如还原酶结构域插入所证明的，补充了之前引入重复NRPS模块的XU和XUC方法。

XUT方法的实施与验证：
XUT方法通过识别NRPS中可能的重组位点，设计新的生物合成途径。这种方法不仅能够引入新的化学功能，还能够在不同的NRPS模块之间进行重组，从而创造出具有新功能的酶。文章中通过设计针对蛋白酶体的抑制剂来验证XUT方法的有效性，成功地合成了具有生物活性的肽类化合物。

图片来自论文原文，由作者提供

结论：
文本文介绍了天然产物在药物发现中的重要性，以及NRPS在合成生物学中的应用和挑战。文章强调了通过合成生物学和基因工程方法，特别是XUT方法，不仅能够模仿自然进化中的重组事件，还能够超越自然多样性的局限，可以有效地扩展NRPS的功能，可能设计出新的合成酶从而合成具有特定生物活性的定制肽，为药物发现和生物活性化合物的生产提供了新的途径。

这种方法不仅为合成生物学提供了新的工具，也为未来的药物开发和生物技术应用开辟了新的可能性。