طراحی سنتزهای پیمانه ای پلی کتید برای تولید سوخت های زیستی
سنتزهای پلی کِتید (PKSs) یکی از پیچیده ترین فاکتورهای سنتز زیستی برای تولید پلی کتیدها با ساختارهای مختلف و فعالیت های زیستی می باشند. این آنزیم ها از لحاظ تاریخی مطالعه شده اند و به منظور ایجاد پلی کِتیدهای غیرطبیعی برای کشف دارو طراحی شدند و همچنین اخیرا برای سنتز سوخت های زیستی و مواد شیمیایی صنعتی به خاطر تنوع و تطبیق پذیری آنها کشف شده اند. در اینجا ما پیشرفت های اخیر در فهم مکانیسمی و طراحی سنتزهای پلی کِتید (PKSs) پیمانه ای برای تولید مواد شیمیایی گرفته شده از پلی کِتید را مرور کرده و دیدگاه ها را نسبت به این کاربرد نسبتا جدید سنتزهای پلی کِتید (PKSs) فراهم می آوریم.
مقدمه
پلی کِتیدها خانواده ی بزرگی از محصولات هستند که به طور وسیعی به عنوان داروها، آفت کش ها، علف کش ها و کاوشگرهای زیستی استفاده می شوند. آنها به وسیله ی سنتزهای پلی کیتید (PKSs ) بیو سنتز می شوند که می توانند در سه گروه (نوع I، نوع II و نوع III) فهرست بندی شوند. جدا از سنتزهای پلی کیتید (PKSs ) نوع II یا III که از آنزیم های جدا از هم تشکیل شده اند مکررا برای تولید آروماتیک ها به کار برده می شوند ]1 ،2[، سنتزهای پلی کِتید (PKSs) نوع I، میلیون سنتزهایی با پهنه های کاتالیستی است که در پیمانه هایی مرتب می شوند که به صورت مجموعه ای با روش خطی، هم به صورت یک جهته و یا به صورت رفت و برگشتی وظیفه ی خود را ایفا می کنند تا مونورمرهای مختلف سازنده ی آسیلکوآنزیم A (CoA) (شکل 1) را به هم متصل سازند ]3[. یک نوع عادی سنتز پلی کیتید (PKS) نوع I حداقل یک پهنه ی آسیل تِرَنسفِراز (AT) را در بر می گیرد که برای انتخاب مونومر سازنده و بارگذاری مسئول است، یک پهنه ی پروتئین حاملِ آسیل (ACP) که دسته ی 4-phosphopantetheine دارد تا بتواند بوسیله ی آن زنجیره های پلی کِتید در حال تولد و پهنه ی کِتوسینتاز (KS) را حمل کند که تراکم کِلایزِنی کربوکسیل زدا را برای ازدیاد طول زنجیره کاتالیز می کند. میلیون سنتز های سنتز پلی کیتید (PKS) نیز ممکن است چندین پهنه ی کاتالیستی آزادانه ای نظیر ketoreductase (KR)، dehydratase (DH)، enoylreductase (ER) و methyltransferase (cMT) در بر می گیرد. نهایتا طول کامل زنجیره ی پلی کِتید از خط مجموعه آزاد شده است، معمولا توسط پهنه ی thioesterase(TE)، که در پیِ آن اصلاحات بعدی خط مجموعه توسط آنزیم های مناسب پایین دستی می آید تا محصولات مختلفی با ساختارهای پیچیده بوجود آورند. پیمانه ای بودن ذاتی سنتزهای پلی کیتید (PKSs) منجر به تلاش های متعددی در طراحی مجدد این خطوط مجموعه ی پیمانه ای شده است که به عنوان بیوسنتز ترکیبی شناخته می شود تا پلی کِتیدها را به روشی قابل پیش بینی برای کشف دارو و پیشرفت تولید کند ]4،5، 6*، 7[. هرچند بیوسنتز ترکیبی، پیشرفت های دلگرم کننده ای طیِ دو دهه ی گذشته داشته است، زمینه در کودکی خود چالش های تکنیکی و آنزیم شناسی مهم را حفظ کرده است که باید مرتب شوند تا به صورت کارامد، پلی کِتید های غیر طبیعی را تولید کنند. در حالی که ساختار گذرگاه های de novo، هدف نهایی بیوسنتز ترکیبی تولید پلی کِتیدهای پیچیده به عنوان کاندیدهای دارویی است که خود تعهد دشواری باقی مانده، ترکیباتی با داربست های مولکولی بسیار ساده تر نظیر سوخت های زیستی و مواد شیمیایی صنعتی می توانند هدف های امکان پذیری برای سنتز زیستی ترکیبی با طراحی هایی دست یافتنی تر و سیاست های اجرایی باشند ]8[. در واقع، گذرگاه های مربوط به سنتز پلی کِتید (PKS) de novo طراحی شده اند و به صورت موفقیت آمیزی اجرا شده اند تا محصولات اندکی در این دسته (شکل 2) تولید کنند. در اینجا ما تلاش هایی برای طراحی سنتز پلی کیتید (PKS) پیمانه ای اخیر به منظور تولید بر پایه ی زیستی سوخت ها و مواد شیمیایی صنعتی را برجسته کرده ایم، بر روی دانش جدید آنزیم شناسی سنتز پلی کِتید (PKS) پیمانه ای نیز تمرکز کرده ایم تا بیوسنتز ترکیبی موثرِ محصولات گرفته شده از پلی کِتید را تسهیل بخشد.
Polyketide synthases (PKSs) are one of the most profound biosynthetic factories for producing polyketides with diverse structures and biological activities. These enzymes have been historically studied and engineered to make un-natural polyketides for drug discovery, and have also recently been explored for synthesizing biofuels and industrial chemicals due to their versatility and customizability. Here, we review recent advances in the mechanistic understanding and engineering of modular PKSs for producing polyketide-derived chemicals, and provide perspectives on this relatively new application of PKSs.
Introduction
Polyketides are a large family of natural products widely used as drugs, pesticides, herbicides, and biological probes. They are biosynthesized by polyketide synthases (PKSs) that can be catalogued into three groups (type I, type II and type III). Different from type II or III PKSs which are comprised of discrete enzymes used iteratively to generate aromatics [1,2], type I PKSs are megasynthases with catalytic domains organized into modules that function in an assembly line-like fashion either unidirectionally or iteratively to join together diverse acyl coenzyme A (CoA) building monomers (Figure 1) [3]. A typical type I PKS minimally contains an acyltransferase (AT) domain which is responsible for building monomer selection and loading, an acyl carrier protein (ACP) domain which has a 40 -phosphopantetheine arm to carry nascent polyketide chains, and a ketosynthase (KS) domain which catalyzes decarboxylative Claisen condensations for chain elongation. PKS megasynthases may also contain several optional catalytic domains, such as ketoreductase (KR), dehydratase (DH), enoylreductase (ER), and methyltransferase (cMT). Finally, the fulllength polyketide chain is released from the assembly line, typically by a thioesterase (TE) domain, followed by post assembly-line modifications by downstream tailoring enzymes to yield diverse products with complex structures. The inherent modularity of type I PKSs has led to numerous attempts in re-designing these modular assembly lines, known as combinatorial biosynthesis, to produce polyketidesin a predictable manner for drug discovery and development [4,5,6 ,7]. Although combinatorial biosynthesis has made encouraging advances over the past two decades, the field remains in its infancy with significant enzymological and technical challenges that must be addressed to efficiently produce un-natural polyketides. While the construction of de novo pathways, the ultimate goal of combinatorial biosynthesis, to produce complex polyketides as drug candidates remains a formidable undertaking, compounds with much simpler molecular scaffolds such as biofuels and industrial chemicals could be feasible targets for combinatorial biosynthesis with more achievable designs and implementation strategies [8]. Indeed, de novo PKS-based pathways have been designed and successfully implemented to produce a few productsin this category (Figure 2). Here we highlight recent modular PKS engineering efforts for the bio-based production of fuels and industrial chemicals, focusing on the new knowledge of modular PKS enzymology to facilitate the efficient combinatorial biosynthesis of polyketide-derived products.
مقدمه
طراحی سنتز پلی کیتید (PKS) پیمانه ای : گزینش مونومر سازنده
طراحی سنتز پلی کِتید (PKS) پیمانه ای: اصلاح زنجیره ی پلی کِتید در حال پیدایش در خط تولید
طراحی سنتز پلی کِتید (PKS) پیمانه ای: اهمیت برهمکنش های پروتئین-پروتئین
طراحی سنتز پلی کِتید (PKS) پیمانه ای: رهاسازی پلی کِتید
تذکر های آخر
Introduction
Modular PKS engineering: building monomer selection
Modular PKS engineering: modification of nascent polyketide chain on assembly line
Modular PKS engineering: importance of protein–protein interactions
Modular PKS engineering: polyketide release
Concluding remarks
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه