在天然产物和药物分子中，丁烯内酯（butenolide）是一类重要的结构单元，广泛存在于具有生物活性的化合物中。然而，目前工业上主要依赖石油化工路线来合成不对称的丁烯内酯，这些方法不仅消耗不可再生资源，还常常涉及苛刻的反应条件和环境污染问题，因此是不可持续的。面对绿色化学和可持续发展的全球需求，生物催化（biocatalysis）被视为一条更有潜力的替代路径，它有望以更经济、环保的方式实现手性丁烯内酯的合成。遗憾的是，自然界中已知的丁烯内酯生物合成途径通常非常复杂，涉及多个酶和步骤，难以被有效利用和改造，这严重限制了其工业化应用。
为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了一种名为阿维诺内酯（avenolide）的天然分子，它是一种4-烷基丁烯内酯（4-alkylbutenolide），在Streptomyces avermitilis（阿维链霉菌）中扮演着调控阿维菌素（avermectin）生产的重要角色。解析阿维诺内酯的生物合成机制，不仅有助于理解微生物的次级代谢调控，更可能为开发简洁、高效的丁烯内酯生物合成平台提供全新蓝图。这项重要的研究成果已发表于《Nature Communications》期刊。
研究者主要运用了生物信息学分析来推测可能的合成基因簇，并通过体外酶学实验（in vitro enzymatic assays）重构关键反应步骤，验证了单个多功能黄素酶（flavoenzyme）的催化能力。此外，还利用质谱等技术对反应中间体和最终产物进行了结构鉴定。
Avenolide的生物合成基因簇鉴定
通过基因组分析，研究人员在Streptomyces avermitilis中定位了负责阿维诺内酯合成的基因簇。该簇包含一个编码多功能黄素酶（AveC）的基因和一个编码迭代型细胞色素P450（iterative cytochrome P450, AveB）的基因。初步实验表明，这两个酶共同负责从脂肪酰基硫酯（fatty acyl thioester）前体到阿维诺内酯的转化。
多功能黄素酶AveC的催化机制解析
本研究最核心的发现是阐明了黄素酶AveC的三功能催化活性。研究人员通过体外重构实验证明，AveC能够单独催化一系列连续反应，将直链的脂肪酰基辅酶A（fatty acyl-CoA）前体转化为具有光学活性的4-烷基丁烯内酯。这一过程依次包括：
- 1.
脱氢反应（Desaturation）：AveC首先催化脂肪酰链发生脱氢，引入双键。
- 2.
羟基化反应（Hydroxylation）：随后，该酶在双键邻近的碳原子上进行羟基化，生成烯醇中间体。
- 3.
内酯化反应（Lactonization）：最后，AveC催化分子内环化，形成丁烯内酯环结构，并释放产物。
值得注意的是，整个转化过程仅以分子氧（O2）作为唯一的化学计量试剂，体现了极高的原子经济性和绿色化学特征。
迭代型细胞色素P450 AveB的作用
研究还发现，细胞色素P450酶AveB作为一个迭代氧化酶（iterative oxidase），可能负责在黄素酶AveC作用之前或之后，对烷基侧链进行进一步的修饰（如羟基化），以产生最终具有生物活性的阿维诺内酯分子。AveB与AveC的协同作用确保了生物合成路径的完整性。
研究结论与意义
本研究成功揭示了一条由三功能黄素酶AveC主导的、前所未有的不对称4-烷基丁烯内酯生物合成途径。该途径的最大优势在于其简洁性：一个酶即可高效完成多步氧化和环化反应，直接从前体分子生成手性丁烯内酯，且仅消耗氧气，无需额外的昂贵辅因子或试剂。这一发现从根本上改变了对丁烯内酯生物合成复杂性的传统认知。
在讨论中，作者强调，AveC酶所展示的多功能催化能力为合成生物学和酶工程提供了极具价值的模板。通过理解和模仿AveC的催化机制，科学家未来可以设计或改造类似的酶催化剂，用于可持续地生产各种高价值的丁烯内酯类化合物，乃至其他结构复杂的天然产物。这不仅在基础科学上深化了我们对微生物次级代谢多样性和酶催化潜力的理解，更在应用层面为开发取代传统化工工艺的绿色生物制造技术奠定了坚实的理论基础，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。
