2019年9月6日，Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所承擔的生物醫藥重大科技專項項目“重樓皂苷等重要植物藥單體化合物生物合成(chéng)途徑關鍵技術研究（2019ZF011-2）”的研究成(chéng)果：“Tropane alkaloids biosynthesis involves an unusual type III polyketide synthase and non-enzymatic condensation”，該研究闡釋了托品烷的生物合成(chéng)途徑。

       托品烷生物堿（tropane alkaloids）是指一類在結構上含有由吡咯環和哌啶環骈合而成(chéng)的托品烷基本骨架的生物堿，是具有悠久曆史和重要藥用價值的植物源天然産物。現存古代醫學(xué)典籍表明，以托品烷生物堿——莨菪堿和東莨菪堿爲藥效基礎的茄科植物，如曼陀羅（Datura stramonium）和颠茄（Atropa belladonna），在全世界已經(jīng)有近兩(liǎng)千年的藥用曆史。目前，莨菪堿和東莨菪堿是臨床上廣泛使用的毒蕈堿型乙酰膽堿拮抗劑，用于鎮痛、麻醉、止痙攣、抗暈動、帕金森症治療等，具有很大市場需求。

       近百年來的基于同位素标記實驗的生物合成(chéng)研究表明，來源于鳥氨酸的N-甲基吡咯啉陽離子（1）和兩(liǎng)分子的乙酰單元構成(chéng)了托品烷基本骨架。然而一直以來，植物體中催化N-甲基吡咯啉陽離子和乙酰單元縮合形成(chéng)托品烷生物堿基本骨架的酶學(xué)機制還(hái)未見報道(dào)。托品烷生物堿的生物合成(chéng)研究被相關的科學(xué)家形容爲一個世紀以來還(hái)未被解決的科學(xué)問題（Nat Prod Rep 2001, 18, 494）。

       在該研究中，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物化學(xué)與西部植物資源持續利用國(guó)家重點實驗室黃勝雄研究組與中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創新中心張餘研究組合作，以茄科産莨菪堿和東莨菪堿的代表植物——山莨菪屬三分三（Anisodus acutangulus）、颠茄屬颠茄、曼陀羅屬曼陀羅爲研究材料，利用轉錄組種(zhǒng)内差異表達和種(zhǒng)間同源基因分析，發(fā)現了這(zhè)三個植物中的三個III型聚酮合酶，并驗證其能(néng)催化N-甲基吡咯啉陽離子（1）與丙二酰輔酶A縮合形成(chéng)托品烷生物堿生物合成(chéng)的關鍵中間體2。進(jìn)一步通過(guò)蛋白晶體結構的研究（圖1）及體外酶促反應發(fā)現這(zhè)三個III型聚酮合酶利用兩(liǎng)分子的丙二酰輔酶A高效合成(chéng)了活性的三羰基戊二酸中間體5。該中間體5能(néng)與N-甲基吡咯啉陽離子（1）自發(fā)的發(fā)生Mannich縮合，進(jìn)而形成(chéng)托品烷骨架生物合成(chéng)的消旋中間體2。

       該研究不僅解決了托品烷生物堿生物合成(chéng)中基本骨架形成(chéng)的機理，回答了長(cháng)久困擾學(xué)術界的一個科學(xué)問題，還(hái)發(fā)現了一類選擇性高效合成(chéng)三羰基戊二酸的新類型植物III型聚酮合酶，爲基于合成(chéng)生物學(xué)的莨菪堿藥物的異源生産奠定了基礎。100年前Robert Robinson的托品酮（Tropinone）全合成(chéng)是寫入教科書的天然産物全合成(chéng)的第一個經(jīng)典案例，長(cháng)久以來大多科學(xué)家堅信該路線是仿生合成(chéng)。該研究闡釋的托品酮生物合成(chéng)途徑與100年前的經(jīng)典化學(xué)合成(chéng)如出一轍（圖2），爲100年前Robert Robinson的化學(xué)合成(chéng)是仿生合成(chéng)提供了直接的證據，這(zhè)也是一個有趣的巧合。

圖1. AaPYKS-COB和AaPYKS-6的晶體結構示意圖

圖2. 托品酮生物合成(chéng)中的化學(xué)機制與100年前的托品酮全合成(chéng)的比

       上述研究工作還(hái)得到了國(guó)家合成(chéng)生物學(xué)重點研發(fā)計劃 (2018YFA0900600)，中科院戰略性先導科技專項(XDB27020205)，國(guó)家自然科學(xué)基金(81522044, 31822001 和 U1702285)等項目資助。