元素百科为您介绍科学家解释利福霉素生物合成的新机制。结核病不仅是导致大量人类死亡的历史事件，而且仍然是一种顽固的呼吸道传染病，危害公共健康。利福霉素化合物是一种具有广谱抗菌作用的抗生素，由地中海拟无枝酸菌产生。对结核杆菌、麻风杆菌、链球菌、肺炎球菌等革兰氏阳性细菌，尤其是耐药性金黄色葡萄球菌，对某些革兰氏阴性细菌也有很强的拮抗作用。利福平、利福喷丁、利福布丁等由天然产物利福霉素SV或利福霉素B化学半合成的药物已进入世界卫生组织的基本药物目录，作为一线抗结核药物，挽救了成千上万的结核病患者的生命。自1957年首次发现以来，利福霉素的生物合成一直是生物化学家研究的热点。虽然同位素标记和基因敲除(敲入)的早期使用已经澄清了其生物合成方式的大部分环节，但利福霉素SV如何转化为利福霉素B的关键环节长期困扰着科学界。
近日，由中国科学院青岛生物能源与工艺研究所研究员李盛英领导的酶工程研究小组与中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所赵国平、肖友利研究小组以及中国科学院上海有机化学研究所唐功利团队的多位学者合作，首次阐述了利福霉素SV转化为利福霉素B的详细生物合成途径和酶催化反应机制，最新出版的《自然-通讯》在线发布了相关成果（Nature Communications）期刊上。
基于2011年赵国平研究组通过分子遗传学方法确认关键基因Rif15/16负责利福霉素SV转化为B的体内研究基础，研究人员成功表达了大肠杆菌中异源的可溶性转酮酶Rif15和细胞色素P450单加氧酶Rif16，通过酶活重建、产物结构表征、13C标记实验和Rif16晶体结构分析，彻底阐述了利福霉素SV转化为利福霉素B的生物合成途径、功能和催化机制，改写了36年前Ghisalba提出的“旧模型”（J. Antibiot. 35, 1982: 74-80）。研究小组发现，利福霉素SV可以在有氧条件下自发氧化成利福霉素S，然后在转酮酶Rif15的作用下将2-酮糖的C2基团转移到利福霉素S上，并重新排放生成含有C-O酯键结构的利福霉素L。然后P450单加氧酶Rif16提取福霉素L C-39位羟基上的氢原子形成的氧自由基攻击靠近芳环C-4位，形成五元环结构，然后通过一系列电子重排和二次C-1位酚羟基上的氢原子拔出，产生不稳定的中间化合物利福霉素O。在电子供体NADPH存在的条件下，该化合物迅速水解还原，形成稳定的最终产物利福霉素B。在电子供体NADPH存在的条件下，该化合物迅速水解还原，形成稳定的最终产品利福霉素B。在此过程中，转酮酶Rif15催化了一种独特的C-O成键反应(通过常规C-C成键和非常规重排形成)；通过五元环的介导，P450单加氧酶Rif16成功实现了非常罕见的“酯醚转化”反应。发现这两种新的催化机制进一步扩大了转酮酶和P450单加氧酶的催化反应类型，加深了该领域对这两种酶的理解。本研究的成功还将为进一步利用合成生物学方法有效发现新型利福霉素和改造工业菌种提供新的理论依据，进一步提高利福霉素的产量。
