天然产物的结构多样性源于大自然能够采用简单的模块构建成复杂且高度功能化的骨架。天然产物尤其是微生物天然产物一直是新药发现和发展的重要来源,以天然产物作为先导化合物是药物研究和发展的重要途径。含有二酮哌嗪结构的生物碱天然产物代表了一大类主要由微生物产生的次级代谢产物,其稳定的六元环骨架结构使二酮哌嗪类化合物在药物化学中成为一个重要的药效团。二酮哌嗪类化合物在生物合成机制上分为非核糖体肽合成酶和环二肽合成酶。环二肽合成酶直接使用氨酰-t RNA作为底物产生环二肽,后者通常通过在相应环二肽合酶基因簇中发现的至少一种定制酶如P450酶进行进一步修饰。Nasc B是一种细胞色素P450酶,负责催化吡咯并吲哚结构的合成。在Naseseazine C的生物合成过程中,仅需一种环二肽合酶和一种细胞色素P450酶Nasc B,就可以合成这种C3-芳香型吡咯并吲哚生物碱。本研究通过基因组挖掘的方法,从Nasc B的基因出发,在基因库中筛选出含色氨酸环二肽合成酶的P450基因,在进化树上模拟它们的亲缘关系。并将P450基因和其对应的环二肽合成酶构建到分枝杆菌中进行共表达,鉴定了一系列环二肽合成酶和P450酶的功能,并通过底物筛选发掘了多种新颖的天然产物。随后,通过同源建模残基置换等方式对P450蛋白进行改造,找到其底物结合重要位点。这为功能化天然产物骨架、挖掘更多具有生物活性的天然产物提供了新的借鉴思路。本研究建立了分枝杆菌全菌催化体系,验证了一系列基因的功能,并解析了部分产物的结构,得到多种非天然的二聚化环二肽类生物碱,扩展了吡咯并吲哚家族。这种组合生物化学的策略,极大的提高了天然产物的发现进程,为挖掘新型天然产物提供了思路,对微生物新药的发现具有重大的理论意义和应用价值。