吲哚类生物碱是自然界中存在的一种重要含氮有机化合物，大多数具有生物活性，并且很多已经被用作临床药物。尽管生物碱在生物体内天然存在，但是往往不能在体内累积，导致了通过直接分离手段获取天然产物通常存在纯度不高、产量低和成本高等问题，不能满足作为药物的需求。化学全合成方法虽然在天然产物合成中有很多成功案例，但是产率也往往很低，绝大多数仍处在实验室水平。尤其是生物碱结构复杂、手性中心较多，在合成过程中涉及多步纯化，导致产率大幅降低。随着近些年来结构生物学，代谢工程学和合成生物技术等各领域的快速发展，微生物异源合成生物碱展现出独特的优势。合成途径中关键酶的反应机理研究可以为高效酶元件的设计提供理论指导，进而为高效生物合成体系的构建奠定基础。

异胡豆苷合成酶（STR）是吲哚类生物碱合成途径中的关键酶，催化色胺与裂环马钱子苷发生Pictet−Spengler（PS）反应生成异胡豆苷。近期研究发现，来自于蛇根木的RsSTR不仅可以催化天然底物反应，还可以催化裂环马钱子苷和非天然底物1H-吲哚-4-乙胺反应生成一种罕见的七元氮杂䓬吲哚骨架分子。基于该骨架合成的部分化合物具有抗疟活性。目前，RsSTR催化裂环马钱子苷和1H-吲哚-4-乙胺的反应机理尚不明确。

近日，中国科学院天津工业生物所的盛翔课题组通过量子化学计算研究，在原子水平上解析了RsSTR催化裂环马钱子苷和1H-吲哚-4-乙胺反应生成稀有七元氮杂䓬吲哚骨架分子的完整反应机理。首先，作者基于酶与异胡豆苷的复合物晶体结构（PDB ID: 2V91），构建了RsSTR催化裂环马钱子苷和1H-吲哚-4-乙胺反应的酶-底物复合物模型。然后，在得到的酶-底物复合物的基础上，优化了反应途径中涉及的各中间体和过渡态的结构，并分析了反应的能量关系，确定了酶催化反应最可能的反应途径，明确了反应的决速步骤，揭示了一些关键残基对酶活性的影响。

计算表明，非天然底物1H-吲哚-4-乙胺在酶活性中心的结合方式不同于天然底物色胺。这说明RsSTR的结合口袋可以进行构象调整以适应不同底物，这是该酶具有广泛底物谱的结构基础。同时，研究还证明了RsSTR催化裂环马钱子苷与1H-吲哚-4-乙胺的反应遵循PS反应的一般反应机理，其中Glu309作为广义酸碱，在质子传递过程中具有重要作用。最终产物由环化中间体经过去质子化产生，并且计算结果表明这一步骤是整个反应的决速步。总之，本研究解析了RsSTR催化合成新颖氮杂䓬吲哚生物碱骨架分子的生物催化合成机理，研究结果将丰富我们对STR 酶催化反应的微观机制的认知，并为其他PS酶的相关研究提供理论指导。