并环萜烯(Pentalenene)是由多种放线菌（Streptomyces chromofuscus, S. griseochromogenes, S. baarnensis）产生的倍半萜类化合物。并环萜烯是针对革兰氏阳性菌、阴性菌、霉菌等具有抗生活性的抗生物质–戊丙酯菌素（Pentalenolactone）的生物合成中间体，并环萜烯1980年由瀬戸治男成功分离得到。（文献1）。从生物合成的观点来看，关于这一特征的三并五元环骨架（triquinane structure）是如何形成的，已经展开了许多研究。（多个并五元环结构单元被称为polyquinane类化合物、因环的数目不同分为diquinane、triquinane等。）
并环萜烯的生物合成
天然产物界权威化学家David Cane一直致力于并环帖烯的生物合成研究。Cane等人是1983年从放线菌提取物中加入氚标记的FPP，追踪其生物合成机理（文献2）。所得结果，见下图，由此得知该合成是通过FPP酶环化得到并环萜烯。
并环帖烯的合成酶的分离、解析
接着Cane等人在1994年将并环帖烯的合成酶成功分离纯化，明确其序列信息（文献4），由此，可以利用大肠杆菌发现其变异体，从而完成了酶的高效测定。
2002年，人们成功结晶得到并环帖烯合成酶，经由氨基酸变异实验等研究详细得到该反应的机理。
并环帖烯的生物合成机理的理论计算
2006年，由Dean Tantillo等人通过DFT计算了帖烯的的生物合成相关反应机理。
帖烯的生物合成反应机理最初的设想见下图。
而通过DFT计算得到的反应机理，则如下所示。人们最初设想的化合物3不是local minimum，明确了它并不是反应中间体。取而代之，人们发现具有5-6-4元环结构的化合物7，才是反应中的中间体。
另外，酶环化反应还得到另一构象1’，由此得到另一条路线：该反应过程中，当两个烯烃将质子束缚会形成三明治结构过渡态中间体（8）。
图片来自文献6
两者的路线在triquinane的骨架形成时都需要近30 kcal/mol的能量，所以估计在室温条件下反应会比较慢。不过，具体需要多少 kcal/mol才能反应也没有一个严格的标准，另外，Tantillo等人得出结论，关于这一过渡态的稳定化很大程度上与环帖烯合成酶有关。
总结
并环帖烯的生物合成，经历了30年以上。Cane在1980年代的研究中，因为无法分离得到酶，将放线菌的提取液作为底物投入使用；进入1990年代后，酶的分离、纯化、遗传序列的确定、变异体的发现都成为可能；再后来，2000年以后，酶的成功结晶化，以及关于其活性部位的研究都可以进行了；直到2006年，Dean Tantillo借助计算化学，详细的阐明了其反应机理。追踪这个研究的进程就能够实实在在感受到科学技术的进步。
参考文献
- Haruo Seto,et al. J. Antibiot.1980,33, 92-93.
- Cane, D. E.et al.J. am. chem. soc.1983,105,122-124. DOI:10.1021/ja00339a026
- David E. Cane.et al.J. am. chem. soc.1990,112,4513-4524. DOI:10.1021/ja00167a059
- David E. Cane.et al.Biochemistry1994,33,5846-5857. DOI:10.1021/bi00185a024
- David E. Cane.et al.J. am. chem. soc. 2002, 124, 7681-7689. DOI:10.1021/ja026058q
- Pradeep Gutta and Dean J. Tantillo,J. am. chem. soc. 2006,128, 6172-6179. DOI:10.1021/ja058031n
- Y.-J. Kimet al., Tetrahedron 201369, 7810-7816. DOI:10.1016/j.tet.2013.05.095
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