丛志奇等开发出外源分子协同P450酶工程实现碳-氢键区域和立体多样性羟化的新策略

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碳-氢键的直接选择性羟化是合成化学领域长期以来面对的一项重要挑战。随着对高选择性生物酶的发掘和改造，国内外多个研究组在酶促碳-氢键的选择性氧化方面已取得了系列重要进展。然而，对给定底物任意位点上的碳-氢键实现区域和立体选择的多样性羟化仍是一个难以企及的梦幻般的挑战（dream reaction）。
　　青岛能源所丛志奇研究员带领的单碳酶催化研究组近年来在国际上首次提出了“双功能小分子协同P450酶催化”概念，建立了人工P450过加氧酶系统（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7628, selected as Very Important Paper, Highlighted by Chemistry Views），先后实现了气态烷烃分子选择性羟化（ACS Catal. 2019, 9, 7350）、木质素单体化合物选择性脱甲基化（Catal. Sci. Technol. 2020, 10, 1219）、苯乙烯高度R-对映选择性环氧化（Chem. Sci. 2021, 12, 6307，Featured in “hot off the press” in Nat. Prod. Rep. 2021, 38, 1053），为解决碳-氢键选择氧化这一世界性科学难题提供了独特方案，也为解决上述问题提供了新的思路。
　　研究人员在人工P450过加氧酶催化的烷基苯羟化反应中发现，外源双功能小分子对反应产物的化学、区域和立体选择性均有一定影响，由此萌生了利用外源分子调控和干预工程化酶催化行为的思路，进而开发出外源分子协同P450酶共进化的蛋白质工程新策略，获得了分别适配不同双功能小分子的多个不同版本的P450BM3突变酶，通过这些双功能小分子与突变酶的特定组合，分别实现了对烷基苯全部潜在羟化产物中半数以上的高度区域和立体选择性羟化，化学选择性和区域选择性最高均可达>99%，对映选择性最高可达>99% ee，最高催化转化数（total turnover numbers）可达81000，催化性能远优于目前任何已报道的天然或工程P450酶。此外，研究人员还通过共结晶结构解析、大分子动力学模拟以及量化计算深入研究了产生高度选择性的分子基础和酶化学机制，揭示了羟化过程中不同外源分子与突变酶组合对不同反应位点碳-氢键的偏好性和产物特异性的协同控制效应。上述工作为实现在任意位点对给定底物进行羟化编辑修饰提供了新的思路和策略，显示了外源分子协同酶催化策略在拓展生物酶催化在合成化学中的应用边际方面的巨大潜力。
　　相关工作近日已在线发表于国际权威期刊Angew. Chem. Int. Ed.《德国应用化学》。青岛能源所陈杰博士、东升博士，厦门大学房文涵为论文共同第一作者，青岛能源所丛志奇研究员、冯银刚研究员和厦门大学王斌举教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、青岛市创新领军人才计划、山东省博士后创新人才支持计划、山东省博士后创新项目、青岛能源所和山东能源研究院基金等的大力支持（文/图 陈杰 丛志奇）。

　　

碳-氢键

图1双功能小分子协同P450过加氧酶催化烷基苯的区域及立体选择多样性羟化

　　原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202215088
　　Chen, J.#, Dong, S.#, Fang, W.#, Jiang, Y., Chen, Z., Qin, X., Wang, C., Zhou, H., Jin, L., Feng, Y.*, Wang, B.* and Cong, Z.* Regiodivergent and Enantioselective Hydroxylation of C-H bonds by Synergistic Use of Protein Engineering and Exogenous Dual-Functional Small Molecules. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202215088.  
       文章来源：青岛能源所
      丛志奇, 博士、研究员、博士生导师，中国科学院青岛生物能源与过程研究所，单碳酶催化研究组组长。于2009年在日本熊本大学获得理学博士学位，随后在日本分子科学研究所和名古屋大学从事博士后研究，参与多项日本文部省基础和重大研究课题。2016年回国工作后主持国家自然科学基金面上项目2项、青岛市创新领军人才计划、青岛能源所十三五期间“一三五”重点培育方向项目等研究课题。以第一和通讯作者在J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、ACS Catal等国际期刊发表研究论文20多篇。主要研究方向是金属酶的化学机理解析、生物酶催化及其在合成生物技术上的应用。相关研究成果被ChemistryViews、中国科学报、中科院网站、基金委网站等专题报道，并被权威学术杂志多次正面引用和评述。