内生链霉菌CYP154A18的单加氧酶特性及其在单萜烯和脂肪醇选择性羟基化中的应用

为解决化学法难以实现单萜烯和脂肪醇选择性羟基化的难题，研究人员从肉桂内生链霉菌YBQ59中鉴定出CYP154A18单加氧酶。该酶能高效催化香叶醇和正辛醇分别转化为8-羟基香叶醇（100%选择性）和1,7-辛二醇（90%选择性），其区域选择性通过酶建模和底物对接得到验证。该研究为医药中间体和高分子单体合成提供了绿色生物催化新工具。

　　

在自然界中，单萜烯和脂肪醇是植物、真菌和微生物中广泛存在的天然化合物。它们的含氧衍生物，尤其是单萜烯烯丙醇和二醇，是合成药物、农用化学品和高性能材料的关键中间体。然而，通过化学方法在末端或烯丙位实现选择性羟基化仍面临巨大挑战——传统化学合成往往需要多步反应和苛刻条件，不仅效率低下，还会造成显著的环境负担。相比之下，细胞色素P450单加氧酶（Cytochrome P450 monooxygenases, P450s）能在温和条件下实现碳氢键的选择性活化，这类含血红素的酶可催化从羟基化、环氧化到C-C键断裂等多种转化，其卓越的区域和立体选择性使其成为绿色化学领域的明星催化剂。

越南科学技术研究院（VAST）的研究人员将目光投向了药用植物内生菌这一特殊生态位。这些与宿主长期共进化的微生物往往具备独特的代谢能力。从肉桂中分离的内生链霉菌Streptomyces cavourensis YBQ59基因组中预测有21个P450基因，其中CYP154家族的CYP154A18引起了研究者浓厚兴趣。通过异源表达于大肠杆菌Escherichia coli，研究人员系统评估了该酶对42种结构各异底物的催化活性，发现其对无环单萜烯和脂肪醇展现出惊人选择性：香叶醇被专一性转化为8-羟基香叶醇，正辛醇则主要生成1,7-辛二醇。结合酶分子建模和底物对接分析，研究者揭示了其区域选择性的结构基础。这项发表于《Molecular Catalysis》的工作为可持续合成羟基化构建单元提供了新型生物催化剂，在医药中间体和可降解高分子材料领域具有重要应用前景。

关键技术方法包括：从越南微生物保藏中心（VCCM）获取菌株基因组DNA；采用pET17b载体在大肠杆菌C43(DE3)中异源表达CYP154A18；通过GC-MS分析42种底物的转化产物；利用分子对接和蛋白建模解析催化机制。

序列分析
CYP154A18含413个氨基酸，具有P450典型特征：血红素结合基序（F³⁴⁷GHGIHFCLG³⁵⁶）中的半胱氨酸残基、氧结合位点I-螺旋（G²⁴³YETT²⁴⁷）和稳定结构的K-螺旋（E²⁸¹TLR²⁸⁴）。系统发育分析显示其与CYP154E1（64%相似性）和CYP154C4（58%相似性）亲缘最近。

底物谱筛选
在测试的6类化合物中，CYP154A18对无环单萜烯（C10）和中等链长脂肪醇（C8-C12）活性最高。值得注意的是，香叶醇转化率达92%，且8-位羟基化产物占比100%；正辛醇生成1,7-辛二醇的选择性达90%，而CYP153A家族酶通常优先催化末端羟基化。

分子对接
模拟显示香叶醇的C8位距血红素铁最近（4.2?），其烯丙位C-H键与I-螺旋的苏氨酸T²⁴⁷形成氢键，这解释了其独特区域选择性。对正辛醇而言，ω-1位（C7）因底物通道的空间限制成为最优攻击位点。

讨论与结论
该研究首次揭示了CYP154A18作为"中等链长专一性催化剂"的独特属性：不同于已知的CYP153A家族（偏好烷烃末端羟基化）和工程化P450 BM3（催化C10二醇合成），该酶对C8-C12脂肪醇的ω-1羟基化表现出罕见选择性。研究者推测这种催化特性可能源于内生菌适应宿主次生代谢环境的进化压力——肉桂富含苯丙素类化合物，其降解可能产生类似脂肪醇的中间体。

从应用角度看，CYP154A18填补了现有生物催化工具箱的空白：其产物8-羟基香叶醇是合成薄荷醇的关键前体，而1,7-辛二醇可作为可降解聚酯的单体。与Alexander Wassing等报道的CYP154E1相比，新酶对无环底物的催化效率提高3倍，且不需要复杂的蛋白质工程改造。正如通讯作者Thuy T.B. Ly强调的，这项研究不仅拓展了我们对内生菌P450催化多样性的认知，更为实现联合国可持续发展目标（SDG12）中的绿色化学合成提供了新思路。未来通过定向进化进一步优化该酶的催化活性和热稳定性，将加速其工业化应用进程。