根据美国能源部阿贡国家实验室、莱斯大学和斯克里普斯研究所合作的一项研究，科学家们对微生物天然产物的生物合成过程有了更深入的了解。这一新发现有望被用于操纵大自然的生物合成机制，以生产更有效的抗生素和抗癌药物。
链霉菌属（Streptomyces）是生活在土壤中的革兰氏阳性菌，具有复杂的新陈代谢，能够自然产生多种临床有用的化合物。其中一大类天然产物称为聚酮化合物，包括红霉素（抗菌剂）、雷帕霉素（免疫抑制剂）以及有前景的药物先导化合物如戊二酸亚胺和唑霉素，这些化合物显示出重要的抗菌、抗肿瘤和抗HIV活性。
这些抗生素由一组酶合成，这些酶被精心编排成流水线式的生物合成机器。本研究重点解析了负责产生migrastatin、唑霉素等聚酮化合物化学结构多样性的酶的特异性。相关成果发表于《PNAS》，阿贡国家实验室的Andrzej Joachimiak为共同作者，斯克里普斯研究所的沈奔（Ben Shen）教授为通讯作者。沈奔教授长期致力于微生物天然产物生物合成机制及调控研究，综合运用有机化学、生物化学、天然产物化学和分子生物学技术，在Nature、Science、PNAS、JACS等国际顶级期刊发表系列论文，并为国内培养了大批人才。
阿贡国家实验室能源部结构生物学中心主任Joachimiak指出：“了解这些过程的特异性后，我们就能设计酶来接受其他化学分子，从而为最具挑战性的疾病开辟新疗法。”抗生素由多个酶依次作用合成，科学家试图改变这些分子的化学性质以开发性能更优的新药。沈奔教授表示：“为此，我们需要了解酶组装流水线的特异性，知道在何处放置何种组分，以合理且特异的方式合成设计者化合物。”操纵催化复杂反应的酶，改变天然产物结构以产生具有新型生物活性的化合物，是研究的关键。
本研究借助先进蛋白质表征设施（Advanced Protein Characterization Facility）完成，该设施通过自动化生产蛋白质和蛋白质晶体，大大促进了医学和生物医学研究，帮助理解蛋白质功能并最终确定更有效的药物治疗方案。蛋白质是长分子链，以复杂方式折叠，许多折叠位点可作为其他分子（包括病原体分子）的对接点。在蛋白质结构研究中，编码蛋白质的DNA片段被克隆并用于产生蛋白质，随后将蛋白质隔离并暴露于各种化学环境以诱导结晶。这一过程可能需要数天、数周甚至数月，但一旦成功，蛋白质分子排列成重复阵列，允许阿贡实验室先进光子源（Advanced Photon Source）的X射线通过分子不同特征分析其三维结构。这帮助研究团队解决了长期存在的问题。Joachimiak说：“没有阿贡国家实验室的技术和设备，这项工作不可能完成。”
注：沈奔教授1991年于美国俄勒冈州立大学获博士学位，先后在威斯康辛大学麦迪逊分校药学院从事博士后研究，在加州大学戴维斯分校任助理教授，在威斯康辛大学麦迪逊分校药学院化学系任副教授、教授，目前在美国佛罗里达Scripps研究所任职，并兼任多所大学和研究所教授职位，主要研究微生物天然产物合成机制，其实验室被公认为该领域最活跃的实验室之一。