酶催化光化學領域的關鍵性突破！
2023-09-28 09:58
日前，西北大學化學與材料科學學院陳希教授與華中科技大學吳鈺周、鐘芳瑞教授合作，以共同通訊作者在 Nature 主刊在線發(fā)表文章“ Enantioselective [2+2]-cycloadditions with triplet photoenzyme s”。
酶是生命體重要的組成部分。酶催化具有高效、高度空間立體選擇性和綠色環(huán)保特性。近些年來，對酶的改造和定向進化在合成生物學領域有許多突破，但對于酶的高效光催化鮮有報道。
這項工作是酶催化光化學領域的關鍵性突破。研究者將三線態(tài)能量轉移這一典型的光催化模式整合到蛋白質中，通過基因重新編程，將功能改性的非天然氨基酸插入蛋白質，創(chuàng)造出含有三線態(tài)光敏劑的人工光酶，成功催化吲哚衍生物的分子內[2+2]光激發(fā)環(huán)加成反應，并且可以實現(xiàn)利用人工光酶與底物分子立體化學的非共價鍵相互作用控制[2+2]光激發(fā)環(huán)加成反應過程中的對映體選擇性，實現(xiàn)高達99%e.e對映體選擇性。
“三重態(tài)光酶”的藝術示意圖
對該人工酶的進化共經歷了四個階段。到第三個階段（TPe3.0），e.e值達到93%。為了進一步對該酶進行優(yōu)化，陳希教授團隊解析了該人工光酶與底物的復合體晶體結構，揭示了超分子蛋白質腔中的人工三線態(tài)光酶能量轉移反應活性極大提高和催化高度空間立體選擇性的機制：在疏水性蛋白質空腔內，通過π-π堆積作用，光能從非天然氨基酸傳導到底物，激活反應。底物和周邊氨基酸殘基的弱相互作用決定了產物單一手性構象。基于這個機制，該研究團隊設計了TPe4.0_FBP，將11位的丙氨酸突變?yōu)樘於０罚黾恿嗽摪被釟埢c底物的氫鍵作用。同時，在非天然氨基酸上添加了一個氟原子，增長了π-π共軛，并增加了一個C-F氫鍵。基于這些改造，e.e值最終達到99%。陳希教授團隊也成功解析了TPe4.0_FBP與底物的復合體晶體結構（后續(xù)工作），驗證了這一機制。
“三重態(tài)光酶”的催化機制
這項研究工作將化學光敏劑與蛋白質結構相結合，創(chuàng)造了新型“三重態(tài)光酶”，豐富了光驅動生物催化的功能和應用范圍。同時實現(xiàn)高手性控制，為醫(yī)藥、農藥、信息和材料領域的發(fā)展提供核心技術支持。
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