近日，上海交通大学生命科学技术学院、张江高等研究院合成科学创新研究中心瞿旭东教授团队与厦门大学王斌举教授团队在化学领域国际权威期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表题为“P450-Mediated Dual Cyclization Mechanisms for Pyrroloindoline Unit Formation in Bispyrrolidinoindoline Diketopiperazine Alkaloid Biosynthesis”的研究论文。该研究创新性地揭示了P450酶催化双吡咯并吲哚二酮哌嗪（BPI-DKP）生物碱中相同吡咯并吲哚结构单元的两种不同机制，首次阐明了自然界中该复杂结构单元形成的分子基础，为相关二聚体天然产物的生物合成路径解析与仿生合成提供了重要理论依据。

双吡咯并吲哚（BPI）生物碱具有显著的药理活性，其核心骨架3a,3a'-双吡咯并[2,3-b]吲哚赋予其细胞毒性、抗菌及抗肿瘤等特性。在众多BPI衍生物中，BPI-DKP亚类因其独特的C₂对称性结构及相邻季碳手性中心，长期以来在合成化学领域被视为极具挑战性的目标分子。传统观点认为，其生物合成可能涉及P450酶介导的双自由基偶联机制，然而该假说一直缺乏直接实验证据。

研究团队前期鉴定并表征了细菌来源的二聚化酶TtpB1（该酶也由Li Shu-ming团队于Chem. Commun., 2020, 56, 11042报道），发现其可识别环状色氨酸-色氨酸二肽（cWW）及其卤代衍生物，并催化形成C₂对称的BPI结构。结合序列分析、稳态动力学溶剂同位素效应实验及关键位点突变，证实TtpB1的催化反应始于CpdI介导的氢原子攫取过程。通过解析底物结合的TtpB1复合物晶体结构，研究首次揭示了BPI合成酶的非对称底物结合模式。进一步，借助结构导向的突变、底物类似物筛选、分子动力学模拟与QM/MM计算，系统阐明了TtpB1催化BPI-DKP形成的新机制：（1）TtpB1对相同的吡咯并吲哚单元采用差异化的环化路径；（2）发现由氢原子攫取触发的自由基级联反应，该过程具有严格的时空调控特性，以及TtpB1通过诱导底物构象转变为Si-面进攻模式，实现立体化学的精准控制，（3）第二个吡咯并吲哚单元由单电子（SET）转移驱动环化，最终形成C₂对称的BPI-DKP结构。

该研究不仅修正了传统P450酶催化BPI-DKP生物合成的理论认知，首次阐明了BPI类型生物碱的生物合成机制，同时也从分子层面揭示了P450酶的催化机制多样性，为复杂吡咯并吲哚类天然产物的酶工程改造与仿生合成提供了重要的理论指导，有望推动该类活性化合物的高效生物制造。

瞿旭东课题组长期致力于复杂吡咯并吲哚生物碱的生物合成机制与高效合成研究，在该领域取得了一系列系统性成果：重新构建了该类化合物的分类框架（Nat. Prod. Rep. 2022, 39, 1721）；首次发现并表征了非对称型吡咯并吲哚P450偶联酶（Nat. Commun. 2018, 9, 4428），阐释了其立体与区位选择性机制（Nat. Commun. 2020, 11, 6251）；发展了针对该类P450酶的全细胞催化合成体系（J. Org. Chem. 2021, 86, 11189）；通过理性设计与酶工程改造，大幅度拓展了该酶家族的底物谱系，实现了近百种高活性吡咯并吲哚生物碱的多样性合成（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304994）；以及还发现了核碱基驱动的新型P450过氧化物酶催化体系合成核碱基吡咯并吲哚生物碱（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 2024, 121:e2412890121）。本项工作是该团队在该研究领域的又一重要突破。

本文共同第一作者为上海交通大学博士后杜叶青、助理研究员魏广证和厦门大学博士生周太平；通讯作者为瞿旭东教授、王斌举教授和魏广证助理研究员。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划及博士后基金会等项目的资助。