综述：紫杉烷的生物合成与多样性：从通路解析、工程改造到合成生物学

这篇综述系统梳理了紫杉烷（taxanes）的生物合成路径多样性，聚焦抗癌药物紫杉醇（paclitaxel）及其衍生物的生物合成机制。作者从紫杉烷11种骨架类型（如6/8/6三环骨架）出发，探讨了细胞色素P450（CYP450s）和BAHD酰基转移酶在结构修饰中的关键作用，提出通过合成生物学（synthetic biology）和人工智能（AI）指导的酶定向进化策略构建"紫杉烷化合物库"，以解决耐药性和可持续生产难题。文中特别强调了代谢酶复合体（metabolons）的动态调控对优化代谢通量的价值，并展望了烟草（Nicotiana benthamiana）和微生物（E. coli/S. cerevisiae）底盘在规模化生产中的应用前景。

　　

紫杉烷的生物合成与多样性：从通路解析、工程改造到合成生物学

紫杉烷的多样性

紫杉烷是从红豆杉属（Taxus）植物中发现的二萜类天然产物，其结构多样性令人惊叹。目前已鉴定出11种不同的紫杉烷骨架类型，衍生出近500种化合物。其中最具代表性的是经典的6/8/6三环骨架（I型），作为紫杉醇（Taxol^?）、多西他赛（Taxotere^?）和卡巴他赛（Jevtana^?）等抗癌药物的前体。而V-IX型骨架因含有跨环碳碳键被称为"复杂紫杉烷"，其中IX型骨架的canataxpropellane因其三个跨环键成为目前已知最复杂的紫杉烷结构。

计算分析显示，仅以紫杉二烯（taxadiene）为例，其骨架含7个可修饰位点，理论上可衍生出数十万种化合物。这种结构多样性主要源于两类修饰酶：CYP450s负责羟基化、羰基化和环氧丙烷环形成等氧化反应，BAHD家族则催化乙酰化、苯甲酰化和肉桂酰化等酰基转移反应。这种结构可塑性为构建"紫杉烷化合物库"提供了无限可能。

紫杉烷骨架的生物合成

紫杉烷骨架的多样性生成依赖于二萜环化酶。目前唯一被鉴定的紫杉二烯合成酶（TXS）能催化牻牛儿基焦磷酸（GGPP）形成I型骨架。晶体结构显示，TXS通过三个镁离子簇和保守的DDXXD、(N/D)DXX(S/T)XXXE、NSE/DTE基序诱导GGPP脱磷酸化，其活性口袋在底物结合时会从开放构象转变为闭合构象以保护碳正离子中间体。

发现新型二萜环化酶的策略包括：以GGPP合成酶（GGPPS）为探针挖掘基因组数据，或利用已知环化酶的氨基酸序列进行同源搜索。值得注意的是，AI方法虽能加速未知环化酶的发现，但目前缺乏足够的紫杉烷相关数据集限制了其应用。

紫杉烷生物合成通路的解析

紫杉醇的生物合成路径已通过异源重构取得突破性进展。研究团队分别用13个基因（含7个CYP450s）和8个基因（含6个CYP450s）在烟草中实现了从GGPP到巴卡亭III（baccatin III）的合成。值得注意的是，环氧丙烷环的形成机制存在两种解释：α-酮戊二酸/Fe(II)依赖的双加氧酶（2OGD）与T5aH协同催化，或新型CYP450酶TOT1单独完成。

代谢中间体的不稳定性是通路解析的主要挑战。解决方案包括：将合成路径分段研究，利用亚细胞定位信号（如内质网、叶绿体靶向序列）稳定中间体，以及通过同位素稀释实验验证代谢通道（metabolic channeling）。

酶复合体引导的动态合成网络

代谢酶复合体（metabolons）通过空间聚集连续反应的酶来优化代谢通量。在紫杉烷合成中，OCT和iso-OCT等不稳定中间体可能通过酶复合体快速转化，避免细胞毒性。研究这类动态组装体的技术包括：荧光共振能量转移（FRET）观察酶间相互作用，苯乙烯马来酸共聚物分离完整复合体，以及CRISPR构建人工代谢酶复合体。

在烟草底盘中的应用显示，叶绿体区室化策略使紫杉二烯产量提升20倍。未来可结合CRISPRi-dCas9基因电路实现时空调控，通过NOR逻辑门精确控制多酶级联反应。

合成生物学工具包的构建

微生物和植物底盘各具优势：大肠杆菌（E. coli）已实现紫杉二烯-5α-醇（7 mg/L）生产，酿酒酵母（S. cerevisiae）中紫杉二烯产量达184.22 mg/L，而枯草芽孢杆菌（B. subtilis）通过融合短链异戊二烯转移酶使产量提升至390 mg/L。

关键优化策略包括：

1. 模块化分组：将不稳定中间体的合成酶与稳定化酶（如乙酰转移酶）组合
2. 代谢流分析：利用合成启动子库（如强度梯度为0.04-8.67倍的启动子）平衡限速步骤
3. 区室化工程：叶绿体靶向的GGPP池扩增显著提升前体供应

AI指导的CYP450s工程改造

AI正在革新酶定向进化流程：

• 深度学习模型（如SESNet）整合蛋白序列和结构特征预测突变体活性
• 蛋白质语言模型（如ESM系列）从2.5亿未标记序列中学习进化规律
• EVOLVEpro框架仅需少量实验数据即可快速优化酶活性

在紫杉烷合成中，AI可指导CYP450s的立体选择性改造。例如通过流式细胞术高通量筛选（10⁷突变体/天）获得的P450变体，能实现天然产物后期C-H键的功能化，为构建"非天然"紫杉烷衍生物库开辟新途径。

展望

随着三种红豆杉基因组数据的释放，紫杉烷生物合成研究已进入后基因组时代。整合AI预测、代谢酶复合体工程和合成生物学工具包，未来有望实现：

1. 解析全部11种骨架的生物合成网络
2. 构建百万级紫杉烷衍生物库
3. 在植物/微生物底盘实现吨级工业化生产
   这将为克服紫杉醇耐药性和发现新型抗肿瘤药物提供革命性解决方案。