背景介绍
20世纪，由沙利度胺手性问题引起的“海豹儿”事件，使得人们对手性药物高度重视，然而手性药物的制备依然面临着巨大的挑战。微生物天然产物是药物的重要来源，解析不同天然产物的生物合成机制有助于发现多种具有立体选择性的酶，其可以作为良好的生物催化工具用于手性药效基团的制备，最终实现手性药物的高效绿色合成。
科学发现
文献调研发现度胺类药物的药效基团3-氨基-2,6-二酮吡啶（2），存在于部分天然产物中，已被广泛用作筛选标记的蓝色色素谷氨酰胺蓝靛素（3）合成的中间体也有可能是2。基于对3生物合成酶的生物信息学分析，推测其可能存在两条合成途径Route A和B。Route A中硫酯酶结构域（TE）首先催化连接在硫醇结构域（T）上的谷氨酰胺（L-Gln）发生环化，形成中间体2，再由氧化结构域（Ox）催化氧化反应生成4。而Route B中的反应顺序则与Route A相反(图1)。
图1 含有3-氨基-2,6-二酮吡啶（2）结构的化合物以及谷氨酰胺蓝靛素（3）两条可能的生物合成途径
1. 谷氨酰胺蓝靛素生物合成途径的解析
该团队通过体内添加实验结合无氧条件比较野生型蛋白IdgS和突变体蛋白S1102反应中辅因子FMN的吸收变化，初步证明了3是由Route A催化完成（图2）。随后，作者又分别构建了硫酯酶结构域失活的蛋白突变体S1102以及氧化结构域失活的蛋白突变体R539A，体外生化实验表明S1102可以催化中间体2形成3，而R539可以催化底物L-Gln合成环化中间体2（图2和图3）。以上实验证明了3可以通过Route A合成。
图2 TE结构域失活蛋白突变体S1102A能够催化中间体2生成3
2. 酶化学一锅法合成沙利度胺
该团队通过手性衍生试剂FDAA进一步鉴定了酶法合成的2为S构型 (ee> 99%)，这与具有抗肿瘤功效的度胺类药物的药效基团构型相同，实现了S构型度胺类药物中间体的酶学制备。该酶经固定化处理后 (S)-2的产率可达到32.3 ± 6.4%。最终，通过酶化学“一锅法”合成了沙利度胺，产率为20.21 ± 3.5%（图3）。
图3 Ox结构域失活蛋白突变体R539A催化L-Gln产生手性中间体(S)-2以及利用酶化学法合成沙利度胺（1）
总结展望
该团队深入解析了由非核糖体肽合成酶催化合成谷氨酰胺蓝靛素的具体过程，在理解其生物合成机制的基础上，巧妙地利用了具有立体选择性的环化酶结构域，实现了度胺类药物手性药效基团的制备。该研究不仅加深了对非核糖体肽生物合成机制的理解，还发现了新型的生物催化工具，为手性药物的绿色合成提供了新思路。
Zhang Z, Li P, Wang M, Zhang Y, Wu B, Tao Y, et al. (S)‐3‐aminopiperidine‐2,6‐dione is abiosynthetic intermediate of microbial blue pigment indigoidine.mLife. 2022.
