天然产物的生物合成和组合生物合成研究进展_王岩
天然产物的生物合成和分析
天然产物的生物合成和分析天然产物是指在自然界中存在的化合物，它们通常是由植物、昆虫、动物等生物合成而成的。
这些化合物具有丰富的结构和多种生物活性，因此受到了广泛的研究和应用。
本文将讨论天然产物的生物合成和分析。
一、天然产物的生物合成天然产物的生物合成是指在生物体内通过一系列化学反应，合成出具有生物活性的化合物。
这些反应通常由酶催化，具有高度的专一性和选择性。
天然产物的生物合成研究不仅有助于揭示生物体内的代谢机制和信号途径，还可以为合成类似化合物提供新的思路和方法。
1. 植物天然产物的生物合成植物天然产物是一类具有广泛应用价值的生物活性化合物。
它们通常由植物体内的次生代谢途径合成而成，具有丰富的结构和多种生物活性。
近年来，人们通过基因工程技术和代谢工程技术，成功地合成了许多重要的植物次生代谢产物。
以桃金娘素为例，这是一种具有抗癌活性的植物次生代谢产物。
其生物合成途径包括三个步骤：首先，酪氨酸经过芳香族羟化反应合成出芳香族氨基酸酪氨酰苯丙氨酸；然后，苯丙氨酸和酪氨酸通过CYP80G2催化的羟基化反应，生成3,4-二羟基苯基-2-甲基丙酮（DHP），这是产生桃金娘素的关键步骤；最后，DHP通过几步复杂的反应合成出桃金娘素。
2. 昆虫天然产物的生物合成昆虫天然产物是指由昆虫体内生物合成而成的具有生物活性的化合物。
这些化合物通常用于调节生殖行为、捕食行为和保护自身等。
昆虫天然产物的生物合成研究可以为新型昆虫药剂和农药的研发提供重要的信息和思路。
以昆虫性信息素为例，这是一种具有重要生物学意义的天然产物。
其生物合成途径较为简单，例如拟谷盗螟（Sitotroga cerealella）产生的性信息素雌性内酰胺，其合成途径可以概括为以下几个步骤：首先，赖氨酸和酸性共轭酮反应生成酮酸，然后，酮酸酰基转移生成酮酸酰胺，最后，酮酸酰胺通过酰肽合成反应生成雌性内酰胺。
二、天然产物的分析天然产物的分析是指对天然产物进行物理、化学和生物学等方面的分析和鉴别。
天然产物生物合成和生物转化研究
天然产物生物合成和生物转化研究天然产物是指来源于生物体内的天然有机化合物，具有重要的生物活性和药理学效应。
自然界中存在着大量的生物种类和种群，为人类提供了丰富的天然资源，其中包括许多天然产物。
与人工合成化合物相比，天然产物更加复杂，更加具有活性，因此成为医药、农药、抗菌药品等领域的重要候选药物。
天然产物由于其多种多样的化学结构和复杂的合成途径，使其成为有机化学的一个重要研究领域。
生物合成是指由生物体内完成的合成过程，主要涉及到生物体内的代谢途径、转化途径、物质传递和化学反应过程。
生物合成的主要特点是具有高度特异性和选择性，这使得天然产物生物合成具有显著的优势。
天然产物生物合成经历了多个环节，包括酶催化反应、基因调控、代谢途径和物质转运等，需要多个生物体系协同作用才能完成。
而这些生物体系往往非常复杂，包括多种酶类、代谢途径、分子运载体和信号传递分子等，因此研究天然产物生物合成需要跨领域的整合和协作，包括生物学、天然药物学、化学合成等领域。
天然产物生物合成的研究涉及到了多种生物体系和代谢途径，其中包括微生物、植物、动物等多种生物体系。
这些生物体系具有独特的生化途径和代谢途径，为天然产物生物合成提供了多种选择。
以微生物为例，微生物由于其高效的代谢途径和生境适应性，成为天然产物生物合成的重要来源。
微生物合成的代表性天然产物包括链霉素、青霉素、四环素等，这些化合物在医药和农业领域具有重要的应用价值。
除了微生物，植物也是重要的生物体系之一。
植物生物合成的天然产物包括蒿属植物的青蒿素、拟南芥的蒽醌类、长寿木的橙皮素等，这些天然产物具有显著的药物活性和丰富的化学结构。
综合上述生物体系，我们可以发现天然产物生物合成是一个多样性和复杂性的领域，需要综合运用生物学、化学、生物技术等多种手段，深入探究其具体合成途径和代谢特点。
除了天然产物生物合成，生物转化也是天然产物研究的一个重要领域。
生物转化指的是利用生物体系对天然产物进行化学转化和代谢利用的过程，主要为天然产物的组成分析和结构修饰提供了有力手段。
天然产物的生物活性研究与合成
天然产物的生物活性研究与合成天然产物是指存在于自然界中的化学物质，包括植物、动物和微生物等生物所产生的分子。
这些天然产物具有多样性和复杂性，被广泛用于医药、农业和化学等领域。
天然产物的生物活性研究和合成是一项重要的科学研究工作，对于开发新药、改良农作物、推动化学合成有着重要的意义。
1. 天然产物的生物活性研究天然产物的生物活性研究是指对天然产物的生物学活性进行深入研究和评价。
这项工作通常包括以下几个方面：1.1 生物筛选通过生物筛选，可以初步评估天然产物的生物活性。
生物筛选主要通过将天然产物或其衍生物与特定的生物目标进行反应，如细菌、病毒、癌细胞等，观察其是否对目标生物产生生物学效应。
筛选出具有潜在生物活性的化合物后，进一步进行更深入的研究。
1.2 结构活性关系研究结构活性关系研究是指通过对一系列同类结构的天然产物进行生物活性测试，揭示其结构与活性之间的关系。
这种研究有助于人们了解天然产物的活性部位和结构要素，指导后续的合成优化和药物设计。
1.3 机制研究天然产物的生物活性机制研究是指对其在生物体内的作用机制进行研究，揭示其生物学效应的发挥途径和分子靶点。
这种研究可通过分子生物学、细胞生物学和生物化学等多学科的手段进行。
2. 天然产物的合成天然产物的合成是指通过化学方法，从简单的起始原料合成目标天然产物的全合成或半合成过程。
2.1 全合成全合成是指从最基本的有机化合物出发，通过一系列反应步骤逐步构建目标天然产物的结构骨架，最终合成出完整的分子。
全合成通常需要解决反应选择性、立体选择性和合成步骤的优化等问题。
2.2 半合成半合成是指以天然产物为起始物质，通过合成化学的手段，对其结构进行修饰和改良。
半合成的优势在于可以通过结构改良，提高天然产物的药物活性或稳定性，或者引入新的化学团，赋予其新的功能。
3. 天然产物的应用前景天然产物的研究和合成对推动科学技术的发展和社会进步有着重要的作用。
3.1 新药开发许多现代药物都源自于天然产物，如青霉素、紫杉醇等。
天然产物及其化学合成研究进展
天然产物及其化学合成研究进展天然产物是指在自然界中生物制造并存在于生物体内或周围环境中的化学物质，主要分为植物、动物和微生物三大类。
随着人类对天然产物的深入研究，人们发现天然产物具有广泛的生物活性，可以用于药物、农药、食品、化妆品等领域。
本文将介绍近年来有关天然产物及其化学合成研究的进展情况。
一、天然产物的发现和研究在人类历史上，人们对于天然产物的认识和使用可谓源远流长。
早在古代，人们开始使用植物和动物的部分或者全身作为药材进行治疗。
例如，我们熟知的中药学就是一门使用天然产物治疗疾病的学科。
而在近现代，随着化学技术和生物技术的逐渐发展，人们对于天然产物的深入研究也得到了加强。
现在，天然产物研究已经成为一个拥有庞大学科体系的研究领域，包括化学、生物学、药学、农学等多个学科。
二、天然产物及其生物活性许多天然产物具有广泛的生物活性，包括抗菌、抗病毒、抗肿瘤、降血压、降血糖、抗氧化等。
例如，茶叶中的儿茶酚和茶多酚具有抗氧化和抗肿瘤作用；冬虫夏草中的虫草素可抗肿瘤和提高免疫力；白芷中的莪术醇具有抗菌和抗炎作用；紫锥菊中的紫锥酸能够促进免疫系统的反应等。
三、天然产物在药物领域的应用由于天然产物具有广泛的生物活性，因此在药物领域的应用也非常广泛。
许多重要的药物分子都是从天然产物中提取或者合成得到的。
例如，阿司匹林、替格瑞洛和依达拉奉等药物分子都是从柳树皮、杜仲属植物和罂粟等天然产物中提取或者合成得到的。
四、天然产物合成的研究进展天然产物的合成一直是有机化学研究的重要分支之一，目前研究者主要通过生物仿制、挪用生物合成途径、全合成等方法进行合成。
其中，全合成是指利用合成有机化学方法，从简单的化合物开始逐步建立目标分子的复杂结构，直至最终得到目标分子的合成方法。
经过多年的努力，全合成已经被逐渐发展成为合成天然产物的重要方法。
例如，格列卫的全合成、阿巴霉素的全合成、丝氨酸癌药链霉素的全合成等。
五、结语总体来看，天然产物及其化学合成研究是当前有机化学和药学研究的重要领域。
天然产物的全合成研究进展
天然产物的全合成研究进展天然产物是指存在于自然界中的化学物质，如植物、动物、微生物等生物体内所含有的化合物。
由于其具有多样性和生物活性，天然产物一直是药物、农药等领域的重要资源。
然而，由于其在自然界中研究和合成的困难性，人们一直对天然产物的全合成研究保持着浓厚的兴趣。
近年来，天然产物全合成领域取得了重要的突破和进展。
一方面，随着有机合成方法的不断发展，人们能够更加高效地合成复杂的天然产物。
另一方面，结构生物学的迅速发展为全合成提供了更多的研究依据。
下面将从这两个方面探讨天然产物全合成的研究进展。
首先，有机合成方法的发展为天然产物的全合成提供了强有力的支持。
以过去的草酰胺合成为例，传统的草酰胺合成需要经历多个步骤和低产率的反应。
然而，近年来，一种名为MIDA保护基的新型保护基开辟了一条全新的草酰胺合成路线。
这种方法不仅提供了高转化率和高产率的反应条件，还能在不需改变反应条件的情况下合成多样化的草酰胺产品。
类似的，还有许多其他的有机合成方法的发展，如不对称催化、金属有机化学等，都为天然产物的全合成提供了更多的可能性。
另一方面，结构生物学的发展为天然产物的全合成研究提供了更多的研究依据。
结构生物学是通过解析蛋白质和其他生物大分子的结构来理解其功能和反应机理的领域。
通过结构生物学技术的迅速发展，人们能够更准确地了解天然产物与靶点之间的相互作用。
这为通过全合成精确地调控天然产物的结构和活性提供了重要的理论基础。
例如，研究者可以通过解析和模拟化合物与靶点的结合方式，设计出更具选择性和活性的新药。
然而，值得注意的是，天然产物的全合成研究仍然面临许多挑战。
首先，在全合成过程中，还存在着步骤繁多、低产率和环境影响等问题，这些都需要在未来的研究中得到解决。
其次，天然产物的全合成仍然需要一定的时间和资源投入，因此缺乏高效、经济和可持续的合成方法也是亟待解决的问题。
最后，结构生物学虽然提供了天然产物全合成的理论基础，但结构信息的获取仍然需要一系列复杂的实验和技术手段，这也对全合成研究的进展提出了一定的要求。
天然产物化学生物学研究进展
天然产物化学生物学研究进展天然产物化学生物学是一个既古老又现代的领域。
自古至今，人们就一直从天然界中获取药物，这些药物有些是植物的萃取物，有些则是动物分泌的化合物，还有些则来自微生物的代谢产物。
与此同时，在生物化学学科学科的进展与发展推动下，人们逐渐认识到天然产物组成复杂，结构多样，其在生命体中具有重要功能，而充分的理解天然产物的生物学特性将有助于药物的开发、生物技术应用的开展以及对生态系统保护的探究等方面。
天然产物化学生物学作为跨学科综合性研究领域，其涉及到化学、生物学、医学等多个领域，是一个非常复杂的研究方向。
这个领域的研究面对的首要问题就是提取天然产物。
由于其来源多样化，提取过程不同，研究人员必须根据不同的情况选择合适的提取方法：例如，利用有机溶剂法提取小分子天然化合物；利用多步法提取复杂多样的化合物体系；克服珍贵低丰度的特殊化合物的提取问题等。
天然产物化学生物学的研究范围非常广泛，包括植物化学、海洋化学、微生物化学等多种研究方向，其中又以微生物化学的研究领域最为广泛，因为微生物是最为丰富和广泛存在于生态系统中的生物，在生命物质的代谢中发挥着特殊的作用。
天然产物化学生物学的研究成果主要体现在其对药物发现的贡献上。
许多的药物都来源于天然界，例如：青霉素、阿司匹林、曲安奈德、生长激素等，这些药物的研发都使生命质量得到了显著地提高。
而对于目前尚无法发现治疗方案的疾病来说，天然产物研究也为当前药物研发提供了新的思路：在不同的源头查找可能有治疗功效的物质，并进一步优化其结构，提高其药效和药物的选择性。
天然产物化学生物学并不仅仅是药物发现的促进器，其还可应用于生物技术和生态科学的研究。
在生物技术中，天然产物变种和类似物的开发有望改进医药制品的生产过程；而在生态科学领域，天然产物研究可以帮助清晰地理解生态系统中的物种互动和生态平衡，有助于生态系统的监测、管理和保护。
在研究天然产物化学生物学的过程中，充分应用先进的化学和生物学技术手段，包括药物化学、分子生物学、生物信息学、基因工程技术等，可以促进药物发现和技术应用的进一步发展。
有机化学中的天然产物合成研究
有机化学中的天然产物合成研究天然产物合成研究是有机化学领域的重要研究方向之一，通过合成各种复杂的天然产物，不仅可以揭示其生物活性和药理作用，还能为药物研发和农业生产提供重要的借鉴。
本文将从天然产物合成的意义、合成方法和研究进展等方面进行论述。
一、天然产物合成的意义天然产物是生物体内存在的各种化学物质，具有广泛的生物活性和药理作用。
通过合成天然产物，可以揭示其生物活性的来源和机理，为探索新药物提供重要线索。
此外，天然产物合成还能为合成方法学和有机化学理论研究提供宝贵的实践平台。
因此，天然产物合成在药物研发、农药开发以及理论研究等领域具有重要的意义。
二、天然产物合成的方法天然产物合成的方法非常多样，常用的方法包括传统的线性合成、环化合成、立体选择性合成以及以天然产物为模板的合成等。
其中，线性合成是最常见的合成策略，通过逐步加入反应原料，逐步扩大分子的结构，最终得到目标化合物。
环化合成则是通过结构变换将线性分子转化为环状结构的合成方法。
立体选择性合成则是在合成过程中控制分子的立体构型，以获得特定的活性。
以天然产物为模板的合成则是将天然产物中的一部分结构作为起始结构，通过一系列反应逐步合成目标结构。
三、天然产物合成的研究进展随着合成方法学和有机合成反应的不断发展，天然产物合成的研究也取得了重要的进展。
以核酸和蛋白质为模板的天然产物合成在近年来受到了广泛关注。
通过模拟生物体内的合成途径，可以实现高效的合成，并保留目标分子的生物活性。
此外，选择性C-H键官能化合成和金属催化反应等新的合成方法也为天然产物合成提供了许多新的可能性。
这些新的方法不仅提高了合成效率，还为复杂结构的天然产物合成提供了更好的途径。
总结：天然产物合成研究在有机化学领域具有重要的意义。
通过合成天然产物，可以揭示其生物活性的来源和机理，为药物研发和农业生产提供重要线索。
天然产物合成的方法非常丰富多样，包括传统的线性合成、环化合成、立体选择性合成和以天然产物为模板的合成等。
天然产物的化学合成及其活性研究
天然产物的化学合成及其活性研究天然产物是指在自然界中生长、获得的具有一定生物活性的化合物，其含有的化学结构具有天然的合成方式和生物活性，通常被用来从事新药研究和应用，因为其比化学合成的小分子药物更具有生物学、药理学和药代动力学性质。
因此，天然产物的合成及其生物活性研究是药学及化学研究领域的重要方向之一。
1. 天然产物的化学合成天然产物的化学合成包括结构确定、反应条件的优化及前体的合成等。
其中，化学合成通常是通过收集天然物样本并进行分离和纯化来获得天然产物的结构，然后通过合成分子的形式来确定其结构的。
通常，通过合成前体来实现天然物的化学合成。
对于多数化合物，这种方法比从天然物中分离、纯化和化学修饰要快得多。
2. 天然产物的活性研究天然产物的生物活性研究是用于确定天然物的药理活性，在大多数情况下，这种活性与其化学结构密切相关。
该研究始于19世纪中期，至今仍是一项活跃的研究领域。
生物活性研究必须考虑天然物的抗生素、抗肿瘤、抗癌、抗病毒、抗炎症等生物学指标和作用机制是如何与其化学结构相关的？这些活性研究结果可以提高药物研究的效率，并为天然产物的开发和应用提供新的思路和机会。
3. 天然产物的开发与应用天然产物的化学合成和生物活性研究为天然物的高效开发和应用提供了原料。
然而，虽然天然化合物可能作为原始药物具有出色的生物学活性，但它们通常会受到代谢稳定性、生物利用度、毒性、制备、引入等各种挑战。
在天然产物的开发和应用中，药化学家需要以缺陷为基础，优化药物分子的理化性质，以提高它们的生物利用度和药效。
针对天然化合物的这些需求，发展了许多排名前列的合成方法和替代药物设计策略，以优化天然产物的药物分子和药物性质，从而实现对广泛疾病的有效治疗。
最近，一些成功的应用天然产物的药物获得了批准，包括分子靶点药物、抗癌药、生物制剂等。
天然产品的化学合成和活性研究为药物研究提供了新的途径，使得新型生物活性分子的发现和开发的范围更为广泛。
天然产物的合成与结构修饰研究
天然产物的合成与结构修饰研究天然产物是指在自然界中存在的、通过生物合成而成的有机化合物，具有广泛的生物活性和药理活性。
研究天然产物的合成及其结构修饰，不仅可以扩大天然产物的结构多样性和药理活性，还可为新药的发现和开发提供重要的参考。
天然产物的合成是模仿生物合成途径，通过人工合成来获取复杂天然产物的一种方法。
这种方法可以使得无法通过提取的方式得到的药物也能被合成出来，从而解决了药物来源有限的问题。
然而，由于天然产物的结构复杂性和手性性质，它们的合成往往面临着许多困难和挑战。
首先，天然产物的结构通常由大量的手性碳原子组成，这使得合成过程中的手性控制成为一个难题。
手性控制是指在合成过程中保持构建手性中心和保证其立体构型一致的过程，它对于合成复杂的手性化合物来说尤为重要。
为了实现手性控制，化学家们需要设计和合成具有手性诱导元件的中间体，通过这些中间体完成手性中心的装配和立体构型的确定。
其次，天然产物的合成往往需要进行复杂的连接和环化反应。
天然产物通常具有多个不同的功能团，在合成过程中需要将它们有效地连接起来并形成特定的环化结构。
这对于合成化学家来说是一个技术和挑战。
结构修饰是指通过改变天然产物的结构，达到调控其活性和性质的目的。
通过对天然产物进行结构修饰，可以改变其药代动力学特性、提高其药效、降低毒性、增强其稳定性等。
这一研究方向对于新药的发现和优化有着重要的意义。
结构修饰的方法通常包括合成衍生物、修饰活性团和对分子骨架进行改变等。
合成衍生物是指通过对天然产物的结构进行改变，引入新的官能团或修饰已有的官能团，从而改变其药理活性。
修饰活性团则是指通过改变天然产物的活性团，调节其与靶标结合的亲和力和选择性。
对分子骨架进行改变则是通过改变天然产物的骨架结构，获取具有新药潜力的结构类型。
天然产物的合成和结构修饰研究不仅对于药物研究有着重要的推动作用，还为天然产物的构建和结构活性关系的探索提供了重要途径。
通过合成和结构修饰研究，不仅可以揭示天然产物的作用机制，还可以发现新的具有治疗潜力的化合物。
植物天然产物的化学合成和生物活性研究
植物天然产物的化学合成和生物活性研究植物作为我们生活中不可或缺的一部分，不仅具有食用价值，还有许多药用价值。
植物中富含各种不同种类、结构和功能的天然化合物，这些化合物被广泛应用于医学、食品、化妆品和农业等领域。
对于这些天然产物的化学合成和生物活性的研究也成为了当前热门的研究领域之一。
植物天然产物的化学合成植物天然产物化学合成研究的主要目的是合成大量的具有生物活性的代表性天然产物。
首先需要通过分离纯化和解析结构的方法从植物中获得目标天然产物的样品。
如果从植物中分离得到的天然产物数量较少，则需要通过化学合成的方式获得目标天然产物。
化学合成的方法大致可以分为以下几种：有机合成、糖化学合成和植物组织培养。
其中有机合成是目前应用最广泛的方法之一。
有机合成可以分为官能团组装和环上合成两类。
官能团组装是指利用小分子化合物来组装大分子化合物，形成目标分子的方法。
而环上合成则是指通过拼接前体分子构建目标化合物的方法。
对天然产物的化学合成不仅可以大量制备具有生物活性的分子，还可以调节结构，提高生物活性和药物作用。
但同时也存在一些问题，如化学合成需要消耗大量能源，会增加环境污染的程度等。
植物天然产物的生物活性研究植物天然产物的生物活性是指这些天然产物对人体生理或疾病相关生命体系的影响。
生物活性研究包括药理学、毒理学、临床试验等方面的研究。
在药理学方面，天然产物的生物活性可以通过抑制、激活或调节生物分子的活性来实现。
目前在药物研究和开发中广泛运用的目标分子包括酶、离子通道、受体和转录因子等。
这些分子因其在生物系统中的重要生物学作用而成为许多药物的靶点。
而毒理学方面的研究则主要是针对天然产物引起的副作用。
毒理学已成为药物研发的必要环节。
对于大多数药物而言，除了疗效外，还需要对其进行毒理学评估，以保证药物的安全性和良性。
临床试验是药物研究的最后一步，通过在人体进行药物的治疗试验，对药物的药效、毒性、药代动力学以及不良反应等进行评价，从而为医务人员提供临床治疗的基础资料。
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过去几十年，以天然产物为基础研制和开发新药一直是化学界和医药界关注的重点领域。
天然产物虽然在整个已知化合物中的比例很小，但以之为基础发展成为新药的比例却很大。
根据2007年的统计，1981－2006年间国际上批准的药物中超过50%来源于天然产物、天然产物的衍生物或模拟天然产物药效基团的合成化合物。
化学合成一直是增加化合物结构多样性的重要手段，根据天然产物自身的化学结构和生物活性等信息，组合化学合成又极大的丰富了化合物合成的数量[1]，但由于合成的目标化合物特异性不强，还没有给新药筛选带来所期望的亮点。
天然产物的生物合成和组合生物合成研究进展王岩1，虞沂2，3，赵群飞2，孔毅1*，刘文2*（1. 中国药科大学生命科学与技术学院，南京 210009；2. 中国科学院上海有机化学研究所生命有机国家 重点实验室，上海 200032； 3.上海交通大学生命科学技术学院微生物代谢重点实验室，上海 200030）摘 要：天然产物一直在药物的发现和发展过程中发挥着重要作用。
化学合成作为增加天然产物结构多样性的传统方法，工艺繁杂。
组合生物合成正逐渐成为药物研发的重点，与化学合成相比，其目标产物可以由重组菌株发酵大量生产，因而降低了生产成本和环境污染。
本文综述了以生物合成为基础的组合生物合成研究策略，并以几种天然产物的研究为例介绍了相关的研究进展。
关键词：天然产物；生物合成；组合生物合成中图分类号：TQ041 文献标识码：A 文章编号：1001-8571(2008)06-0275-08Advance in Biosynthesis and Combinatorial Biosynthesis ofNatural ProductsWANG Yan 1，YU Yi 2,3，ZHAO Qun-fei 2，KONG Yi 1*，LIU Wen 2*( 1. School of Life Science & Technology, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China; 2. State Key Laboratory of Bio-Organic and Natural Product Chemistry, Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China ; boratory of Microbial Metabolism, and School of Life Science & Biotechnology, Shanghai Jiaotong Univer-sity, Shanghai 200030,China)Abstract: Natural products have played critical roles in the drug discovery and development. While it remains problematic to economically synthesize natural products and generate their analogs via chemical routes mainly due to the complex structures, combinatorial biosynthesis is attracting more and more attentions in both academic and industrial fields, the target molecules can be produced by a recombinant organism that is amenable for large-scale fermentation, thereby lowering the production cost and reducing the environmental concerns associated with conventional chemical syntheses. This article briefly introduced the principle and strategy of combinatorial biosynthesis, highlighted by the biosynthesis and metabolic engineering of a few pharmaceutically important natural products.Key words: natural products; biosynthesis; combinatorial biosynthesis随着非典、禽流感、手足口病等新型疾病不断出现，多药耐药性、高耐药性病原菌在临床上日益多见，天然产物的发酵积累和活性鉴定等方面的压力加大，促使不少大型制药公司开始探索相对快捷的新方法[2]。
在这种形势下，“组合生物合成”方法逐渐应用起来。
虽然目前开展的有关组合生物合成的研究还局限于微生物来源的复杂天然产物，但应用该方法建立的化合物结构类似物库已经为筛选新药提供了更加广阔的空间[3-5]。
天然产物在结构上的多样性是其生物活性多样化的基础，而化合物结构多样性的产生则来源于生物合成机制的多样化，组合生物合成就是从天然产物的生物合成机制出发，创造收稿日期：2008-09-01作者简介：王岩，硕士，主要从事*通讯作者：孔毅，yikong668@ ；刘文，wliu@“非天然”天然化合物的技术。
本文主要概述了组合生物合成的研究策略以及几种天然产物的生物合成和组合生物合成的研究进展。
1 以生物合成为基础的组合生物合成研究策略组合生物合成通过对天然产物代谢途径的遗传控制来生物合成新型的复杂化合物：一方面，特异性地遗传修饰天然产物的生物合成途径，以此获得基因重组菌株，生产所需要的天然产物及其结构类似物；另一方面，将不同来源的天然产物生物合成基因进行重组，在微生物体内建立组合的新型代谢途径，由此重组微生物库所产生的新型天然产物构成了类似物库，有利于从中发现和发展更具有应用价值的药物(图1)。
目前已报导的微生物天然产物有数千种，其中聚酮类(Polyketides)和非核糖体聚肽类(Non-Ribosomal Polypeptides)占了相当大的比例，编码这些天然产物的基因通常特征性地成簇分布于染色体的某一区域而构成一个基因簇。
聚酮或聚肽骨架的生物合成是以PKS 或NRPS 蛋白为模板、按照功能结构域和催化模块的排列顺序来指导化学结构的形成，这预示研究者们可以通过结构域和模块的功能重排构建重组的PKS 或NRPS蛋白，从而控制聚酮或聚肽骨架结构的合成逻辑，以生产新型结构的“非天然”天然聚酮或聚肽化合物。
例如，Menzella 等利用模块间连接子和停泊蛋白将来源于8个聚酮生物合成基因簇的14个PKS 模块组合成为154种含有双模块的PKS 酶催化体系，其中近半数成功地在大肠埃希菌中合成了聚酮产物，这一快速的组合筛选模式有助于获得具有广泛底物适应性的结构域单元(如ACP 和KS)，从而丰富组合生物合成研究的选择[6]。
由PKSs ，NRPSs 或杂合PKS-NRPSs 催化形成的聚酮或聚肽骨架赋予了化合物与特定靶点结合的刚性结构，但化合物生物活性的完全展现还要依赖于一系列合成后修饰(Post-Synthetic Tailoring)，例如酰基化、羟基化、卤化和糖基化等，将这些后修饰基因重新组合可以影响化合物在微生物体内的生物合成，甚至产生大量结构衍生物。
华东理工大学的Chen 等通过增加红霉素生物合成基因簇中eryK (编码细胞色素P450羟化酶)和eryG (编码3"-O-甲基转移酶)的拷贝数，提高了红霉素A 的纯度和产量，降低了生产成本和工业污染[7]。
2 研究实例2.1 阿弗菌素(PKS 生物合成途径)阿弗菌素(avermectin)是由革兰阳性菌除虫链霉菌(Streptomyces avermitilis )产生的一类16元环大环内酯类抗生素，具有独特的生物活性，在医药、农业、畜牧业上有重要的应用。
阿弗菌素类化合物包含了8种组分(图2)，以B1a 最为有效。
此外，该类化合物还包括其衍生物，比如应用价值更好的伊维菌素(ivermectin)和多拉克丁(doramectin)，前者将B1a 的22-位和23-位双键换为单键，后者则将B1a 的25-位侧链基团换为环己基。
自1975年发现阿弗菌素以来，对其的研究主要集中在3个方面：阿弗菌素生物合成机制的探讨和阐述；选择性地提高B1a 组分的比例和产量；与阿弗菌素相关的组合生物学研究等。
随着除虫链霉菌MA24680全基因组序列的测定，图 1 组合生物合成的研究原理Figure 1 Principle and strategy of combinatorial biosynthesis图 2 阿弗菌素的化学结构Figure 2 Chemical structures of avermectins图 3 阿弗菌素的生物合成基因簇Figure 3 Gene clusters of avermectin biosynthesisOmura等运用染色体步移等技术鉴定了整个阿弗菌素生物合成基因簇，包含82.0kb染色体区域，共有18个开放阅读框(ORF)[8](图3)。
其最显著的特点就是中间4个I型多功能聚酮合酶(PKS)结构的ORF，即aveA1-4，其编码的蛋白负责合成阿弗菌素的聚酮部分。
通过与已报到的I 型PKS结构比较后发现，编码阿弗菌素的PKS结构模块与西罗莫司(sirolimus, rapamycin)相似，它们同样分为几组并按2个相反的方向转录。
位于PKS基因右侧的aveB Ⅰ~aveB Ⅷ编码的蛋白负责合成齐墩果糖和转糖基作用。
PKS左侧的3个开放阅读框主要与最初合成的糖基修饰相关，aveD编码C-5-O-甲基转移酶，其活性需要S-腺苷甲硫氨酸(SAM)；aveF基因编码C-5酮还原酶，其在N末端有NAD(P)H 结合基序。
经过30多年的研究，阿弗菌素的生物合成机制已经基本阐明，但其调控途径和一些关键步骤还不清楚，基因簇中aveR和aveC的功能还不确定。
aveR位于aveF的下游(但转录方向相反)，aveR突变株不能合成任何阿弗菌素，推测可能与其生物合成的正调控有关[8]。
AveC位于aveA2和aveA3中间，可能决定阿弗菌素B2:B1的比例[9-10]。