双环霉素是一种最初在日本应用的针对革兰氏阴性细菌的广谱抗生素，也是目前已知的唯一能够靶向转录终止因子rho的天然产物。它属于高度官能化的二酮哌嗪生物碱家族，并且带有独特的O-桥双环[4.2.2] 二酮哌嗪环系统，一个C1三醇和末端的环外亚甲基基团。迄今为止，双环霉素生物合成途径以及相关酶、酶学性质都是未知的。

在最近的一项研究中，来自中科院有机化学研究所唐功利研究员实验室的研究人员通过异源生物转化、体外生化测定和一锅法酶促合成鉴定并表征了双环霉素生物合成途径。该研究成果《A Six-Oxidase Cascade for Tandem C−H Bond Activation Revealed by Reconstitution of Bicyclomycin Biosynthesis》12月12日在线发表于德国应用化学杂志Angewandte Chemie International Edition。

研究人员在札幌链霉菌Streptomyces sapporonensis中预测了可能的双环霉素合成bcm基因簇。并在大肠杆菌中分别异源表达和纯化了相关的七个蛋白BcmA、BcmB、BcmC、BcmD、BcmE、BcmF和BcmG。经过对这些酶逐个进行生化表征，研究人员确认了tRNA依赖的环二肽合酶BcmA催化亮氨酸和异亮氨酸发生异二聚化提供二酮哌嗪前体，随后六个氧化还原酶，包括五个α-酮戊二酸/Fe2+依赖型双加氧酶和一个细胞色素P450单加氧酶，通过八个惰性C-H键的官能化，催化形成四个羟基基团、一个外侧亚甲基以及一个中等大小的桥环。如图c所示，BcmE首先将化合物5羟基化，活化第一个C−H键； BcmC、BcmG继续活化两个C−H键，形成两个羟基基团；随后，BcmB活化两个相邻的C−H键，经过C=C双键中间体9和环氧结构中间体4，形成O-桥双环[4.2.2]二酮哌嗪环结构；接着，P450单加氧酶BcmD对双环结构的C6进行甲基化；最后BcmF消除两个相邻C原子上的H原子，催化形成C=C双键。最终，通过体外一锅法的酶促反应，研究人员成功实现了由前体化合物5（如图c）到终产物双环霉素的体外合成，并且对相关的酶的动力学参数进行了表征。