科學家構筑三組分光生物催化體系

南京大學化學化工學院特聘研究員黃小強團隊改造了焦磷酸硫胺素依賴酶，通過協同可見光催化的方式，構筑了一種三組分光生物催化體系。11月22日，相關研究成果在線發表于《自然》。

酶是自然界的催化劑，在生命體系的多種生理過程中發揮關鍵作用，也是基礎研究和生物制造等應用領域的重要工具。然而，天然酶催化功能相對有限，無法滿足當下的需求。比如，自然界中復雜化合物的多組分合成往往需要多個酶的共同催化。盡管近年來酶催化獲得了巨大的發展，但是目前發展的酶促反應多是單分子或雙分子轉化。如何抑制自然選擇的酶天然反應性、利用一個蛋白調控三個不同底物/化學中間體的有序轉化，仍然具有很大的挑戰性。

針對這些難題，黃小強團隊利用可見光激發和定向進化手段，將苯甲醛裂解酶“重塑”為三組分自由基酶，實現了一例非天然的高對映選擇性的三組分自由基偶聯反應，并且結合機理實驗解析了這一新功能的化學機制。該體系能夠組合三個可變的底物，極大豐富了光生物合成的多樣性，是光酶領域的一個標志性成果。

團隊選取4-苯基基苯甲醛、苯乙烯和溴丙酮作為模板底物，探索了[Ru(bpy)3]Cl2·6H2O和ThDP依賴酶的催化體系。隨后通過分子動力學模擬和半理性的迭代位點特異性突變策略對酶進化改造，團隊發現T481L，A480G位點突變對反應的對映選擇性有一定提升，Q113H，N283F位點對反應的收率有顯著提升，最終通過五輪突變獲取了最優的突變體。

該體系有非常好的底物耐受性，能夠接受各種取代的芳香醛、雜環芳香醛，多種取代基的芳基烯烴甚至烷基烯烴，以及多種烷基自由基前體。文章展示了33個例子，其中25例對映選擇性能達到≥97% ee，凸顯了酶可調的活性口袋對于游離自由基立體化學的精妙調控作用。

研究團隊與合作者們協作，通過酶學實驗、光化學實驗、電子順磁共振譜學研究和理論計算等方法，對機理開展了詳細研究，揭示了該體系實現三組分反應性的關鍵以及高立體化學選擇性的來源。該工作交叉融合了生物和化學，一方面突破了天然酶通常只能催化1-2個底物的局限、賦能綠色生物制造，另一方面也為化學領域的手性精準控制難題提供了新策略。

據悉，南京大學化學化工學院博士生邢仲秋、南京大學化學化工學院特任副研究員劉福露和廈門大學化學化工學院博士生馮鍵強為共同第一作者，廈門大學教授王斌舉為論文的共同通訊作者，黃小強為最后通訊作者。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08399-5