本文将讲述如何用生物合成法合成阿维菌素，旨在为阿维菌素的制备提供参考依据及实验支持。
简述：阿维菌素是阿维链霉菌深层发酵而得的高效低毒生物农药和医药中间体，在农业、畜牧业和医药领域都有广泛的应用。
1. 背景：
由于阿维菌素的重要应用价值，自其发现以来，已形成了一个重要的抗生素研究领域。早期研究以美国默克公司、日本北里研究所和北里大学为主，随后，中国学者逐渐加入研究，从跟随到并驾齐驱，最终引领了阿维菌素基础与应用研究的迅速发展。自20世纪80年代起，大村智团队耗时十多年，基本阐明了阿维菌素的生物合成途径，并于1999年完成了其生物合成基因簇的测序及功能分析。
2. 复杂生物合成过程：
阿维菌素生物合成分为 3 个步骤：(1)聚酮合酶催化 7 个乙酸盐、5 个丙酸盐和 1 个带有支链的脂肪酸起始单元首尾聚合形成聚酮链，聚酮链从聚酮合酶上释放出来通过内酯键环化形成起始糖苷配基，即 6,8a-开环-6,8a-脱氧-5-氧阿维菌素糖苷配基。阿维菌素的“a”和“b”组分由不同的起始单元合成，“a”组分的 2-甲基丁酰基(C25~C28)和“b”组分的异丁酰基(C25~C27)分别由 L-异亮氨酸和 L-缬酸衍生而成。(2)起始糖苷配基经过一系列的修饰(包括氧化、环化、还原、甲基化)转化为阿维菌素糖
苷配基。(3)阿维菌素糖苷配基经糖基化修饰形成阿维菌素(下图)。
阿维菌素生物合成基因簇全长 82 kb，共编码18 个 ORFs (如图所示)。其中 4 个大的 ORF—aveA1、aveA2、aveA3 和 aveA4 的编码产物共同组成聚酮合酶，参与阿维菌素合成的第一个步骤，负责阿维菌素起始糖苷配基的合成。阿维菌素“1”组分在C22~C23 之间为含有羟基的单键，“2”组分为双键。之前研究表明 aveC 以某种方式决定“1”和“2”组分的比例，但其具体功能直到 2013 年才由中国科学院上海有机化学研究所刘文团队阐明。aveC 编码双功能酶 AveC，催化 C22~C23 之间的脱水和C17~C25 螺缩醛酮的形成，该酶的两个活性中心独立发挥作用，一个活性中心的改变并不影响另一个活性中心的功能。脱水作用使 C22~C23 之间的单键变成双键，因此 AveC 是决定“1”和“2”组分比例的一个关键酶，可通过突变 aveC 改变“1”和“2” 组分的含量。AveC 催化之后，由 aveE编码的细胞色素 P450 羟化酶通过引入氧原子使 C6和 C8a 间的呋喃环闭合，再由 aveF 编码的 C5-酮基还原酶使 C5 位的酮基还原为羟基，形成“B”组分的糖苷配基。紧邻 aveF 上游的 aveD 编码 C5-O-甲基转移酶，负责将 C5 位甲基化，形成“A”组分的糖苷配基。糖基化修饰对阿维菌素的杀虫活性至关重要，位于基因簇右侧的 aveBⅠ-aveBⅧ负责合成和转移齐墩果糖。首先，AveBⅡ和 AveBⅢ催化葡萄糖-1-磷酸形成 TDP-4-酮-6-脱氧葡萄糖，然后在 AveBⅣ-AveBⅧ的作用下合成 dTDP-L-齐墩果糖，最后由糖基转移酶 AveBⅠ将 dTDP-L-齐墩果糖连接到阿维菌素糖苷配基的 C13 和 C4′位上，最终形成阿维菌素。
参考文献：
[1]刘丽虹,程曦,杨柳等. 阿维菌素废菌渣循环利用的发酵工艺研究 [J]. 世界农药, 2023, 45 (09): 30-35. DOI:10.16201/j.cnki.cn10-1660/tq.2023.09.05.
[2]文莹,张立新. 阿维菌素的中国“智”造 [J]. 遗传, 2018, 40 (10): 888-899. DOI:10.16288/j.yczz.18-194.
[3]阿维菌素的高效中国智造[C]// 上海市遗传学会,江苏省遗传学会,浙江省遗传学会,安徽省遗传学会,中国遗传学会教育教学委员会. 2017中国长三角遗传学大会会议手册. [出版者不详], 2017: 1.
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