元素百科介绍天然产品的模板化生物合成及其分子工程改造。动植物或微生物产生的天然产物往往具有良好的抗菌、抗肿瘤、抗病毒或免疫抑制作用，因此在制药行业中占有重要地位。在生物体中，特定的基因通过转录和翻译形成蛋白质。蛋白质以简单的小分子为原料，如糖、羧酸、氨基酸及其衍生物，催化底物发生生化反应，最终形成结构复杂的天然产物。有趣的是，生物合成过程中的一些蛋白质在组织和使用小分子原料时像装配线一样高效有序。这种“模板化”装配方法合成的天然产物主要是聚酮和聚肽(包括非核糖体聚肽和核糖体翻译后修饰肽)。
聚酮、非核糖体聚肽及其杂合物的生物合成过程是“模板化装配线酶学机制”的典型代表。以聚酮为例，在最小聚酮合酶中(polyketide synthases, PKSs)在模块中，酰基转移酶识别并将小分子羧酸底物上载到硫酯化功能域，然后通过酮基合成酶催化两个底物之间的克莱森缩合形成C-C键。非核糖体聚肽合成酶(non-ribosomal peptide synthetases, NRPSs) 类似于催化过程，区别在于以氨基酸为底物，催化形成C-N键。可以替换和集成PKS和NRPS的模块，从而产生更复杂的杂合化合物。基于模块化的组织模式，PKS/NRPSS形成了集前体聚合与修改、链延伸与终止于一体的装配线，并遵循非迭代的“单结构域单功能”规则。虽然以PKSS和NRPSS为代表的装配线化学已经得到了充分的研究，但近年来发现了越来越多的特殊装配线，包括特殊的前体单元、装配线上的化学装饰和线下后的装饰反应。
核糖体翻译后修饰肽是另一种重要的肽类天然产物，由前体肽基因直接转录，依靠核糖体翻译获得前体肽链。一般来说，肽链N端是先导肽，是后修改过程中的识别标签；C端是核心肽，是后修改的位置，构成最终产品的分子骨架。以硫肽分子为例，前体肽通过类似的脱水和环化过程形成噻唑/恶唑环，通过[4] 2]环加成反应构筑核心吡啶环。此外，后修改反应还可能引入其他不同的结构单元，或终端修改，以获得结构复杂多变的最终产品。
了解这些特殊的生物合成逻辑并进行改造，不仅可以丰富化合物的种类，还可以赋予天然产物新的生物活性，在新药的发现和筛选以及生物医学的基础研究中发挥关键作用。
《国家科学评论》近日发表了由中国科学院上海有机化学研究所陈明、刘景宇、段潘潘、李牡林、刘文共同撰写的《天然产物模板化生物合成及其分子改造》综述论文，重点介绍了聚酮和肽两种天然产物高度进化的“模板化”生物合成逻辑，回顾了21世纪以来的新发现和工程改造的成果。
