近日，中国科学院南海海洋研究所研究员马俊英团队与山东大学教授鞠建华团队合作，首次揭示了深海来源环肽天然产物怡莱霉素生物合成途径中一个关键酶的工作机制——它像一位精密的“分子工匠”，能在复杂的分子骨架上连续完成三步氧化反应，将原本“安分”的甲基一步步转化为羧基，实现六电子转移。相关成果发表于《ACS催化》（ACS Catalysis）。

结核病至今仍是全球传染病中的头号杀手。据世界卫生组织《2024年全球结核病报告》，2023年全球新增结核病患者约1080万例，死亡人数约125万。耐多药/利福平耐药结核病治疗成功率约为68%，而全球约40万耐多药结核病患者中，仅44%在2023年得到诊断并接受治疗。更棘手的是，近40年来抗结核新药的研发几乎停滞。

怡莱霉素并非等闲之辈。它分离自南海深海3560米处的放线菌，其中经基因工程改造获得的衍生物怡莱霉素E，体外抗结核活性可达目前一线抗结核药物的30倍，且对正常细胞毒性较低。但要让它从实验室走向临床应用，必须搞清楚一个核心问题：微生物是怎么把简单的分子“加工”成具有强大活性的药物的？这条“生产线”上的关键“工位”，就是一个名为IlaL的细胞色素P450单加氧酶。

P450酶被称为自然界的“万能催化剂”，广泛参与药物代谢和天然产物的合成。但大多数P450酶只会一招——在分子上加一个氧原子。而IlaL却要挑战一套高难度动作：它要在怡莱霉素的末端甲基上连续做三次氧化，依次生成醇、醛，最终变成羧酸，相当于把一个“安静的旁观者”改造成一个活跃的“功能基团”。质谱分析清晰地捕捉到了这个“甲基→醇→醛→羧酸”的完整流水线，证明IlaL确实一口气完成了三轮氧化，总共转移了六个电子。

那么，IlaL凭什么能做到？研究团队解析了它与底物结合的高分辨率晶体结构，找到了答案：IlaL拥有一个比同类酶更宽敞的“底物口袋”，入口处还有一段异常柔软灵活的“门帘”——BC-loop结构。两者配合，就像一个自动调节的精密夹具，能把体积庞大的环肽底物稳稳地“请”进活性中心，并将待氧化的末端甲基精准地送到催化位点旁边。

更令人意外的是IlaL的催化核心——它使用了一套非经典的分子氧活化单元。经典P450酶通常依赖“DT/DS”或“ET/ES”氨基酸对来激活氧气，而IlaL用的是“Asp-Asn”（简称DN）组合。实验表明，天冬酰胺（Asn242）一旦突变，IlaL的催化活性便完全消失，说明这个残基在反应中扮演着不可替代的角色。DN二联体与活性中心的水分子协同工作，通过调控质子转移和氧气活化，让IlaL能够在同一个“车间”里连续完成三轮氧化。

进一步的大规模序列分析发现，具有这种DN型催化特征的P450酶在自然界中极为稀少，仅占所分析序列的约1%。IlaL是该分支中第一个被生化实验证实能催化六电子氧化的酶。这意味着，科学家今后可以依据DN催化单元和特殊BC-loop这两个“分子标签”，从海量的微生物基因组和天然产物基因簇中定向筛选具有多步氧化潜力的新型酶，从而加速药物先导化合物的开发。

该研究发现不仅为新型抗结核药物的研发提供了重要线索，也为人工设计高效生物催化剂开辟了新思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acscatal.6c03937