实验室成员在《Nature》发文引领光生物制造新方向

先进光子科学技术安徽省实验室田长麟教授与南京大学化学化工学院黄小强特聘研究员、梁勇教授合作，开发了焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖酶和光催化协同的双催化新体系，该体系是自然界中全新的、现有化学方法难以实现的全新分子生化体系，不仅极大地扩展了酶的催化功能、为绿色生物制造提供了丰富元件，还为化学领域的手性精准控制难题提供了新策略，有望引领光生物制造新方向。   

该成果以“A light-driven enzymatic enantioselective radical acylation”为题，12月18日在线发表于《Nature》期刊。该工作第一通讯单位为南京大学配位化学国家重点实验室、化学和生物医药创新研究院、化学化工学院。先进光子科学技术安徽省实验室为第三单位，以及共同通讯单位。南京大学化学化工学院博士研究生许园园、南京大学化学化工学院特任副研究员陈红威和中国科学院强磁场科学中心于璐副研究员为论文的共同第一作者；梁勇教授和田长麟教授为论文的共同通讯作者；黄小强特聘研究员为最后通讯作者。

作为当下中美大国竞争的焦点领域，生物制造是变革工业可持续发展最有希望的绿色技术之一。然而，生物制造的“芯片”——酶，面临催化功能相对有限、我国的自主率低等问题。如何创制新酶元件、解决当前合成面临的问题，是化学研究的科技前沿热点。

在自然界中，焦磷酸硫胺素依赖的苯甲醛裂解酶，催化的是双电子的（可逆的）苯甲醛到安息香的转化。受这一类酶的启发，合成化学家发展了一系列仿生氮杂环卡宾催化剂，并于近期用于催化自由基反应。综合利用仿生和化学模拟的思路（图1），研究团队利用可见光激发和定向进化手段，将ThDP依赖的苯甲醛裂解酶“重塑”为自由基酰基转移酶（RAT），实现了一例非天然的高对映选择性的自由基-自由基偶联反应。该成果首次将ThDP依赖酶用于催化非天然的自由基转化，同时实现了有机氮杂环卡宾催化不能达到的低催化剂负载量和高立体选择性的效果。

图1：融合化学与生物，开发新生物合成体系

团队以4-甲氧基苯甲醛1a和自由基前体氧化还原活性酯2a作为模板底物，探索了有机染料曙红Y和ThDP依赖酶的催化体系。随后通过分子动力学模拟和半理性设计构建了小而精的突变体库，能够快速、低成本地获取最优突变体酶。该体系有非常好的底物耐受性，能够接受的底物包括各种邻、间、对位取代的芳香醛、杂环芳香醛和各种取代基的羧酸衍生物。文章展示了35个例子，对映选择性最高达97% ee，凸显了酶可调的活性口袋对于游离自由基立体化学的精妙调控作用。

图2：底物谱拓展

团队对该双催化体系提出了机理假设：在绿光照射下，激发态曙红Y选择性地氧化酶口袋内的Breslow中间体，生成焦磷酸硫胺素结合的稳态自由基，同时氧化还原活性酯类的自由基前体以生物兼容的方式在体系中产生瞬态自由基，从而在酶口袋内发生非天然的酶促自由基-自由基交叉偶联反应。研究团队通过机理湿实验、电子顺磁共振谱学研究和理论计算等方法，对机理开展了详细研究，揭示了新酶反应性的关键以及高立体化学选择性的来源。详细内容可参考原文。

论文链接（点击文末“阅读原文”可查看全文）：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06822-x