代谢工程与后期功能化拓展抗疟先导化合物premarineosin A的化学空间

《Communications Chemistry》：Metabolic engineering and late-stage functionalization expand the chemical space of the antimalarial premarineosin A

　　为解决疟疾药物耐药性问题，研究人员通过代谢工程将(-)-premarineosin A产量提升174倍，结合半合成与生物催化技术构建了12个衍生物，发现C12溴代衍生物对耐药性疟原虫具有纳摩尔级活性（EC50<5 nM），为抗疟药物研发提供了新策略。

　　

疟疾是威胁全球近半数人口的致命传染病，2023年导致2.63亿病例和59.7万死亡。随着疟原虫对现有药物耐药性的加剧，开发新结构抗疟药物迫在眉睫。环状prodiginine类天然产物因其独特的三吡咯结构和显著抗疟活性备受关注，其中从海洋链霉菌CNQ-617分离的premarineosin A虽展现纳摩尔级抗疟活性，但其产量低、合成复杂限制了深入研究。

为解决这一难题，密歇根大学Sherman团队联合多个研究机构，通过基因组挖掘在Streptomyces eitanensis中发现premarineosin A生物合成基因簇（pma BGC）。通过过表达簇内调控基因pmaD和Rieske加氧酶基因pmaG，结合培养基优化（GISYE培养基），使(-)-premarineosin A产量达到34.8±1.6 mg/L，较野生型提升174倍。X射线晶体学首次明确了其绝对构型为8S,9R,21R,23R，纠正了此前合成研究中的构型错误。

可持续供应的(-)-premarineosin A为后期功能化研究奠定基础。团队开发了酸催化亲电芳香取代新方法，在C12位引入三氟甲基、醛基等官能团，获得二聚体（4-6）和单体衍生物（7-10）。其中12-三氟丙醇premarineosin A（7）对耐药性疟原虫Dd2株活性达87±15 nM，且细胞毒性显著降低。更引人注目的是，通过N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）半合成和 flavin依赖卤化酶（FDH）D3生物催化，分别实现了C12位和C1位选择性溴化。12-溴代premarineosin A（12）对敏感株3D7的EC₅₀达2 nM，对耐药株Dd2为22±11 nM，活性优于氯喹（382±33 nM）和青蒿琥酯（8±2 nM），且对HEK293和MOLT4细胞的毒性显著降低。

关键技术方法包括：基于全基因组测序的pma BGC鉴定、多基因代谢工程改造、X射线晶体学绝对构型解析、酸催化亲电芳香取代半合成、FDH酶D3生物催化溴化、体外疟原虫抑制实验（3D7和Dd2株）及哺乳动物细胞毒性评估（HEK293和MOLT4细胞）。

基因与代谢组分析鉴定S. eitanensis中(-)-premarineosin A生物合成基因簇

通过比较基因组学发现pma BGC与海洋osin A簇高度相似但缺失marA和marE基因，代谢组学检测到premarineosin A特征峰，确认该簇以premarineosin A为终产物。

过表达pma簇调控因子和Rieske加氧酶提升产量

构建工程菌株FP10017（过表达pmaD）和FP10018（共表达pmaD/pmaG），在GISYE培养基中产量分别达34.8 mg/L和33.7 mg/L，菌株颜色由绿转红表明代谢流成功导向目标产物。

半合成与生物催化溴化实现后期C-H功能化

AlphaFold预测D3卤化酶可容纳premarineosin A支架，实验证实其特异性溴化A环C1位（产物11）；而NBS化学溴化主要靶向C12位（产物12），后者抗疟活性提升17倍。

讨论与意义

该研究通过多学科交叉策略，首次系统探索了premarineosin A的化学空间。C12位修饰在保持抗疟活性的同时显著降低毒性，而C12溴代衍生物（12）的卓越活性提示其作为先导化合物的潜力。FDH酶对复杂天然产物的成功修饰为后期功能化提供了新范式。研究建立的“代谢工程-生物催化-半合成”平台，为其他难合成天然产物的药物开发提供了可借鉴的路线。