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中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室，中科院廣州生物醫藥健康研究院呼吸疾病國家重點實驗室，以及廣東醫科大學合作的研究論文，以 Biosynthesis of ilamycins featuring unusual building blocks and engineered production of enhanced anti-tuberculosis agents 為題發表在 Nature Communications 上，報道了從深海放線菌中發現了具有抗結核桿菌系列活性物質，通過生物合成技術優化改造獲得低細胞毒活性、強抗結核桿菌活性的化合物怡萊霉素 E。
結核病是zui為嚴重的傳染性疾病，死亡率已超過 HIV，位居傳染性疾病。據 WHO 結核病年報報道， 2015 年新增結核病人 1040 萬人，其中死亡約 180 萬人。目前，臨床上應用的 4 個一線抗結核藥物和 8 個二線抗結核藥物均是發現于上世紀的 40 年代到 70 年代，此后再無新的抗結核藥物出現。直至 2012 和 2014 年，FDA 和歐盟先后批準貝達喹啉（Bedaquiline）、Delamanid 與其他抗結核藥物聯合使用，治療多重耐藥結核桿菌的感染，但存在副作用嚴重且價格昂貴問題，臨床應用受到一定限制。多重耐藥和泛耐藥或全耐藥結核菌株在迅速增長，加上結核病與 HIV 并發感染等情況的出現，對本已嚴峻的結核病防控形勢帶來了新挑戰，因此對低毒的新型抗結核藥的需求日益迫切。
海洋中蘊藏著豐富的海洋微生物資源，其代謝產物尚未被充分發掘利用。深海環境營養匱乏，生活在深海的微生物為了爭奪生存空間，會產生抗生素抑制周邊微生物的生長。研究人員利用這一化學生態學原理從深海微生物中篩選抗菌活性物質。經過篩選，他們發現一株深海（-3560 米）來源的放線菌發酵提取物對抗恥垢分枝桿菌具有較強的選擇性抑制活性，并對腫瘤細胞增殖具有一定的抑制活性。研究人員對菌株進行擴大培養和活性追蹤分離，利用多種波譜技術解析了 6 個命名為怡萊霉素的活性物質結構（圖 1，化合物 1 -6），并用單晶衍射技術測定了 3 個化合物的構型。怡萊霉素屬于環七肽類化合物，結構中含有*的 l -2- 氨基 -4- 己烯酸，3- 硝基 -l- 酪氨酸，和異戊烯基化的色氨酸結構單元；其中，l-2- 氨基 -4- 己烯酸結構單元在其它天然產物中未見報道。此外，怡萊霉素結構中的亮氨酸結構單元和異戊烯基均被氧化。
科研人員闡明怡萊霉素的生物合成機制，并利用生物工程技術構建突變株，期望構建新結構衍生物，簡化代謝產物組分，并提高目標組分的產量。科研人員對怡萊霉素產生菌進行了基因組測序，根據怡萊霉素的結構特征，通過生物信息分析和基因敲除技術，確定了負責怡萊霉素的生物合成基因簇（圖 1，a）和骨架結構的生物合成過程（圖 1，b）。對四個功能基因進行敲除和代謝產物分析，結合前體分子喂養及同位素標記實驗，闡明了新穎的 I 型聚酮合酶 IlaE、細胞色素 P450 氧化酶 IlaD、氨基轉移酶 IlaH 和 II 型硫酯酶 IlaF 負責稀有結構單元 l -2- 氨基 -4- 己烯酸的生物合成（圖 1，e）。對怡萊霉素生物合成基因簇中的一氧化氮合酶 IlaM 和細胞色素 P450 氧化酶 IlaN 所編碼的基因進行敲除和代謝產物分析，及前體分子回補實驗，闡明了 L - 酪氨酸的硝基化過程（圖 1，d）。通過對怡萊霉素生物合成基因簇中的異戊烯基轉移酶 IlaO 和另外兩個細胞色素 P450（IlaL 和 IlaR）所編碼的基因進行敲除，代謝產物分析，以及中間體的分離和結構鑒定，闡明了 IlaO 在怡萊霉素形成過程中負責色氨酸的異物烯基化的前修飾作用（圖 1，c），IlaL 和 IlaR 這兩個酶在怡萊霉素生物合成過程中分別負責亮氨酸末端甲基的羧基化及異物烯基的環氧化的后修飾（圖 1，f）。通過上述研究，科研人員發現，怡萊霉素生物合成過程中的三個前修飾和兩個后修飾過程，并構建高產菌株，定向生產新結構衍生物怡萊霉素 E 和 F。
科研人員系統評價了分離和工程改造獲得的系列怡萊霉素衍生物對結核分枝桿菌 M. Tuberculosis H37Rv，5 種人體腫瘤細胞株和 2 種正常細胞株的抑制活性，研究發現，怡萊霉素 E 的體外抗結核活性為 9.8 nM，是一線抗結核藥物利福平活性的 30 倍，怡萊霉素 E 對乳癌等腫瘤細胞也顯示出一定抑制活性，對正常細胞的毒性較低，在抗結核活性和細胞毒性之間的選擇性指數為 400-1500，顯示出較好的安全性窗口，具有成藥潛力。該研究闡明了海洋微生物復雜活性代謝產物怡萊霉素的生物合成機制，并獲得具有更好活性和低毒性的抗結核活性化合物，為新型抗結核藥物的進一步開發提供了化學實體。
研究工作得到了國家自然科學基金、中科院、廣東省自然科學基金團隊和廣州市科技計劃項目的資助。
怡萊霉素的生物合成基因簇及其生物合成過程。（a）怡萊霉素的生物合成基因簇；（b）怡萊霉素的骨架結構的合成過程；（c）色氨酸的異戊烯基化過程；（d）酪氨酸的硝基化過程；（e）L-2- 氨基 -4- 己烯酸的生物合成機制；（f）怡萊霉素的氧化后修飾過程
