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异戊二烯类化合物包括 180,000 多种已知化合物，它们在医药、香料、化妆品等多个领域有着广泛的应用，例如青蒿素、紫杉醇等药物，以及香茅醇、柠檬烯等香料。然而，传统化学合成方法在制备异戊二烯类似物时，常因这类化合物复杂的结构而受阻，尤其是多个手性中心的存在，使得化学合成效率低下且成本高昂。

近日，哥本哈根大学的研究人员在异戊二烯类似物的合成领域取得了新的突破。他们开发了一种基于酵母细胞的生物催化方法，该方法可绕过传统的异戊二烯生物合成路径，利用类似异戊二烯醇的化合物生产出具有定制碳骨架的类异戊二烯类似物。这一成果发表于 Nature Communications，题为“Systematic biotechnological production of isoprenoid analogs with bespoke carbon skeletons”。

传统异戊二烯的生物合成通常遵循异戊二烯规则，即所有异戊二烯都是由两个五碳单元：异戊烯基二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）构成，通过头尾连接的方式逐步构建的。这种规则限制了异戊二烯的碳骨架多样性，因为所有天然异戊二烯的碳骨架都是五的倍数（如 C10、C15、C20 等）。

为了打破对这两种传统五碳前体的依赖，研究人员设计了一种新的代谢途径，即直接利用带有额外碳原子的前体分子（如六碳或七碳的醇类）来合成非经典的异戊二烯前体，从而生产出具有定制碳骨架的异戊二烯类似物。该定制碳骨架可改变异戊二烯类似物的理化性质，如挥发性、溶解性、稳定性和生物活性，从而极大地拓展了其在医药、香料、化妆品等领域的应用前景。

图 | 从起始醇类到异戊二烯类似物的核心生产流程

研究人员首先在酿酒酵母中建立了一条高效的异戊二烯醇利用途径。

他们对一系列已知激酶进行评估，发现此前报道的激酶在酵母细胞中活性不足，无法有效支持该途径。经过筛选，他们找到了拟南芥中的法呢醇激酶（AtFKI），它能高效地将异戊烯醇类醇转化为相应的异戊烯基单磷酸；随后引入拟南芥异戊烯基激酶（AtIPK），将异戊烯基单磷酸转化为非经典的二磷酸酯构建模块。

为了进一步优化该途径的转化效率，研究人员对 AtFKI 进行改造，去除其 N 端的质体转运肽，得到的 Δ65AtFKI 变体催化效率提升了 3.72 倍。将 Δ65AtFKI 和 AtIPK 整合到酵母基因组后，最终成功建立了高效的异戊烯醇利用途径。

借助该途径，研究人员还探索了多种与异戊烯醇结构相似的醇类的可能性。他们发现，有 7 种相似醇类也可被 AtFKI 和 AtIPK 利用，并转化为相应的 DMAPP 和 IPP 类似物，生成非经典的异戊二烯前体。

图 | 利用不同异戊烯醇样醇合成各类萜类化合物类似物,包括单萜、倍半萜和三萜类似物

在此基础上，研究人员利用这些非经典前体，通过引入不同的萜烯合酶或烯丙基转移酶，成功制备出了多种类型的异戊二烯类似物，包括单萜、倍半萜和三萜类似物。尽管在尝试制备二萜和四萜类似物时，由于 Erg20p(F96C)无法将合成的 C16 和 C17 构建模块延伸至相应的 C21 或 C22 化合物，暂时未取得成功，但通过进一步研究寻找或改造合适的烯丙基转移酶，有望突破这一障碍。

随后，研究人员通过多种分析技术验证了合成的异戊二烯类似物的结构和纯度，以及通过功能实验（如受体激活实验和感官评价）验证这些类似物的生物活性和应用潜力，多项实验结果均表现良好。

比如，在高价值的香气成分乙基芳樟醇的生物合成中，研究人员通过引入特定的酶，成功利用该生物催化方法制备出以(E)-乙基芳樟醇为主的产物。经专业调香师评估并以蜘蛛图的形式绘制了五个品种属性的评分后，包括花香、果香、风味浓郁等，其感官特性明显优于化学合成产物。

图 | 利用生物催化方法合成乙基芳樟醇及其他芳樟醇类似物，其感官特性明显较优

而在大麻素类似物的制备和功能评估时，研究人员通过改造酵母细胞，使其表达特定的酶，并供应橄榄酸和不同的异戊烯醇类醇，成功获得多种大麻萜酚酸（CBGA）。对这些类似物的生物活性评估发现，部分化合物对人源大麻素受体 CB2 的激活能力相较于经典的 CBGA 有显著提升，且热处理后生物活性提升更为明显。

总之，这项研究成功通过设计新的代谢途径、引入高效的酶、优化酶的表达以及利用特定的醇类前体，解决了传统化学合成难以制备结构复杂的异戊二烯类似物的难题。并通过在异戊二烯的碳骨架上引入额外的碳原子，为合成功能更佳、应用范围更广的异戊二烯类似物提供了可行的途径。

参考文献：

1. Wang, L., Rosenfeldt, M., Koutsaviti, A. et al. Systematic biotechnological production of isoprenoid analogs with bespoke carbon skeletons. Nat Commun 16, 2098 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57494-2