近期,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心、安徽省高場磁共振成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田長麟團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)黃小強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、梁勇團(tuán)隊(duì)合作,在光酶催化研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。針對(duì)合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)的焦磷酸硫胺素(ThDP)依賴酶和光催化協(xié)同的雙催化新體系,田長麟團(tuán)隊(duì)依托SHMFF所屬電子順磁共振(Electron?Paramagnetic?Resonance,?EPR)鑒定了催化反應(yīng)中的自由基中間體及電子轉(zhuǎn)移機(jī)制,研究成果以“A?light-driven?enzymatic?enantioselective?radical?acylation”為題,于2023年12月18日在線發(fā)表在Nature雜志上。??
生物制造是變革工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的綠色技術(shù)之一。但是生物制造的“芯片”——酶,面臨催化機(jī)制理解相對(duì)有限、我國在核心酶方面的自主率低等問題,成為限制生物制造及合成生物學(xué)發(fā)展的“卡脖子”問題。
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圖1:融合化學(xué)與生物,開發(fā)新生物合成體系?
酶催化與光催化結(jié)合的光酶催化,融合了可見光化學(xué)多樣的反應(yīng)性和酶的高選擇性,成為開發(fā)新酶功能最前沿的策略。研究團(tuán)隊(duì)綜合利用仿生和化學(xué)模擬的思路(圖1),借助可見光激發(fā)和定向進(jìn)化手段,改造焦磷酸硫胺素(ThDP)依賴酶,從而將ThDP依賴的苯甲醛裂解酶“重塑”為自由基酰基轉(zhuǎn)移酶(RAT),實(shí)現(xiàn)了一例非天然的高對(duì)映選擇性的自由基-自由基偶聯(lián)反應(yīng)。?
針對(duì)該光酶雙催化體系,研究團(tuán)隊(duì)綜合應(yīng)用了低溫電子順磁共振技術(shù)和理論化學(xué)計(jì)算等方式,對(duì)機(jī)理開展了詳細(xì)研究。其中通過低溫(80K)下的電子順磁共振實(shí)驗(yàn),捕獲到了由ThDP所衍生的ketyl自由基(Int.?B),并且控制實(shí)驗(yàn)表明:PfBAL酶、光敏劑Eosin?Y、底物1a、光照都是產(chǎn)生該自由基中間體必不可少的關(guān)鍵因素。另一方面,通過EPR自旋捕獲(spin?trapping)實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)體系中檢測到了特征的六重裂分譜圖,證實(shí)其為中間體benzylic?radical(Int.?C)與捕獲劑加成后的自由基產(chǎn)物。電子順磁共振實(shí)驗(yàn)為證實(shí)該催化循環(huán)中兩種關(guān)鍵的自由基中間體(Int.?B和Int.?C)的存在提供了關(guān)鍵的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)(圖2),揭示了新酶反應(yīng)性的關(guān)鍵以及高立體化學(xué)選擇性的來源。
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圖2:機(jī)理推測與基于EPR方法的機(jī)理探究?
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士研究生許園園、南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院特任副研究員陳紅威和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心、安徽省高場磁共振成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于璐副研究員為論文的共同第一作者。南京大學(xué)黃小強(qiáng)研究員、梁勇教授和強(qiáng)磁場科學(xué)中心田長麟教授為論文的共同通訊作者。?
原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06822-x