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Angew. Chem. :外源分子协同P450酶工程新策略实现碳-氢键区域和立体多样性羟化2023-02-05
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)。

近日,中科院青岛生物能源与过程研究所丛志奇研究员、冯银刚研究员和厦门大学王斌举教授合作,开发出外源分子协同P450酶共进化的蛋白质工程新策略,实现了烷基苯半数以上潜在羟化位点的高度区域和立体选择性羟化。

丛志奇研究员团队近年在国际上首次提出“双功能小分子协同P450酶催化”的新概念,通过引入带有内嵌碱性基团的外源小分子作为助催化位点,协助P450的血红素活性中心活化过氧化氢,成功将单加氧酶P450BM3改造为以过氧化氢作为末端氧化剂的P450过加氧酶(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7628), 为解决碳-氢键选择氧化这一难题提供了方案和新的思路。

 

 

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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。他们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。其中,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。

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此外,研究人员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。

文信息

Regiodivergent and Enantioselective Hydroxylation of C−H bonds by Synergistic Use of Protein Engineering and Exogenous Dual-Functional Small Molecules

Dr. Jie Chen, Dr. Sheng Dong, Wenhan Fang, Dr. Yiping Jiang, Zhifeng Chen, Xiangquan Qin, Cong Wang, Prof. Dr. Haifeng Zhou, Prof. Dr. Longyi Jin, Prof. Dr. Yingang Feng, Prof. Dr. Binju Wang, Prof. Dr. Zhiqi Cong

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215088

 

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