近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了太阳集团tyc234cc、中南医院药学研究院鲁丽课题组关于高效合成抗肿瘤药物前体吉玛烯A的最新研究成果，论文题目为“Characterization and functional reconstruction of a highly productive germacrene A synthase from Liriodendron chinense”。吉玛烯A是倍半萜合成过程中的重要中间体，在高温下可完全转化为β-榄香烯。β-榄香烯是我国具有自主知识产权的抗肿瘤药物，在肺癌、乳腺癌等临床治疗中广泛应用。该研究从中国特有植物鹅掌楸（Liriodendron chinense）中鉴定出一种高效吉玛烯A合成酶LcTPS3，并在酿酒酵母体系中实现了吉玛烯A的高效合成，产量达到了14.71 g/L，是目前酿酒酵母中的最高水平，为抗癌药物β-榄香烯的可持续生产提供了绿色解决方案。

研究深入解析了LcTPS3的催化机制。通过定点突变实验，发现A280位点是影响LcTPS3催化功能的关键位点。尽管该位点位于底物结合口袋底部，并与催化反应区域距离较远，但其突变显著影响了酶的催化活性。进一步的分子动力学模拟研究表明，A280V突变导致酶与底物结合的距离和角度发生显著改变，从而阻碍了环化反应的进行。这一发现揭示了催化活性受远端氨基酸节点构成的分子网络动态调控，为深入理解酶的结构与功能关系提供了新的视角。

此外，研究发现位于底物结合口袋之外的LcTPS3Y282位点也能显著影响其催化功能。Y282位点的突变意外促使LcTPS3发生二次环化反应，生成新产物愈创木烯。通过分子动力学模拟分析，发现Y282L突变显著缩短了催化残基Y531与底物之间的距离，从而间接促进了二次环化反应的发生。为进一步验证这一机制，研究团队构建了Y282L Y531F双突变体，实验结果表明双突变体丧失了二次环化的功能，证实了Y531在二次环化反应中的关键作用。这一发现不仅揭示了远程位点对酶催化功能的深远影响，还为酶的理性设计与功能改造提供了新的思路和理论依据。

这些发现揭示了LcTPS3的高度可塑性，通过定向改造能够合成更多具有重要价值的倍半萜化合物。此外，分子动力学模拟在解析植物酶的作用机制方面表现出显著的高效性，为定向酶工程改造提供了强有力的工具，进一步推动了酶功能优化与应用研究的深入发展。研究不仅深化了对酶催化机制的理解，还为天然产物的生物合成与酶工程改造开辟了新的研究方向，具有重要的理论意义和应用潜力。

该研究得到国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金的资助。博士毕业生程炜佳，博士后支瑶和博士研究生陈芳芳为共同第一作者，鲁丽研究员为论文的通讯作者。鲁丽课题组致力于植物天然产物的生物合成研究，聚焦植物代谢途径解析、高价值天然产物生物合成以及酶催化机制解析。诚挚欢迎国内外同行开展合作交流，同时热忱欢迎优秀学子报考加入。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.70023