Org. Lett. | 深圳先進(jìn)院周佳海/古陽團(tuán)隊(duì)發(fā)展光促羧酸轉(zhuǎn)化的新型工具酶
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院周佳海/古陽團(tuán)隊(duì)在Org. Lett.上發(fā)表了題為Enzymatic Photodecarboxylation on Secondary and Tertiary Carboxylic Acids的研究論文。該研究通過對于光促脫羧酶FAP進(jìn)行理性設(shè)計(jì)與定向進(jìn)化改造,發(fā)展了一類新型的光促脫羧酶,實(shí)現(xiàn)了對于二級、三級等非天然底物的羧酸進(jìn)行高效的光促脫羧轉(zhuǎn)化,并應(yīng)用于藥物分子類似物的手性合成中。
羧酸作為化學(xué)合成與生物轉(zhuǎn)化中基礎(chǔ)分子,其綠色高效的轉(zhuǎn)化一直受到合成科學(xué)領(lǐng)域的重要關(guān)注。傳統(tǒng)的脫羧反應(yīng)需要高溫的介導(dǎo)、活化基團(tuán)的引入、當(dāng)量金屬的參與等較為苛刻的反應(yīng)條件,開發(fā)條件溫和、基團(tuán)兼容性好的羧酸脫羧轉(zhuǎn)化,可以為基于羧酸的綠色合成制造提供重要的合成工具。光催化可以利用綠色可再生光能,通過光促激發(fā)態(tài)的活化,實(shí)現(xiàn)溫和條件下的挑戰(zhàn)性轉(zhuǎn)化;同時(shí)酶催化可以利用蛋白分子與底物豐富的次級相互,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子的選擇性轉(zhuǎn)化,所以發(fā)展光酶催化體系有望實(shí)現(xiàn)羧酸分子在溫和條件下的高選擇性轉(zhuǎn)化。
FAP作為一類具有光促脫羧活性的光酶,可以在藍(lán)光誘導(dǎo)下對于油脂等天然底物進(jìn)行脫羧生成相應(yīng)的烷烴,但是野生型FAP對于二級、三級羧酸等大位阻的非天然底物反應(yīng)活性低,限制了其應(yīng)用范圍。研究團(tuán)隊(duì)通過對于野生型FAP進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)與定向進(jìn)化改造,發(fā)掘了含有Y466F /F469V/T131V的三點(diǎn)突變體,實(shí)現(xiàn)了對于金剛烷酸等大位阻羧酸的光促脫羧轉(zhuǎn)化。隨后在對于該酶促反應(yīng)的條件進(jìn)一步優(yōu)化中,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)使用穩(wěn)定性高、易于操作的全細(xì)胞凍干粉作為催化劑可以大幅提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。
在最優(yōu)條件下,研究團(tuán)隊(duì)對于底物適用性進(jìn)行了考察。該光酶催化體系具有廣普性和良好的基團(tuán)兼容性,對于一系列二級、三級羧酸包括含酮基、脂基、胺基等多種官能團(tuán)的底物都具有不錯(cuò)的轉(zhuǎn)化率。值得指出的是,對于雜環(huán)類羧酸等重要的藥物分子中間體,該光酶也可以順利實(shí)現(xiàn)其光促脫羧轉(zhuǎn)化,并對消旋底物的手性合成,證明了該光酶有望應(yīng)用于藥物分子的生物合成中。最后研究團(tuán)隊(duì)通過模板底物與蛋白結(jié)構(gòu)的分子對接和動(dòng)力學(xué)模擬等計(jì)算手段,進(jìn)一步闡釋了突變體中羧酸底物與光反應(yīng)活性中心FAD分子的距離是決定反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素,為后續(xù)的光酶改造提供了理論指導(dǎo)。
綜上,本研究發(fā)現(xiàn)了一類可以催化二級、三級羧酸光促脫羧的工具酶,拓展了光促酶催化生物轉(zhuǎn)化的合成策略,豐富了合成生物學(xué)的光控酶元件。
本文的第一作者為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生鄭杰,通訊作者為高錦明教授、周佳海研究員和古陽副研究員,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員諶莊琳博士對于理論計(jì)算部分也做出了重要貢獻(xiàn)。該工作受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFF1200302,2019YFA09005000)、國家自然科學(xué)基金(22201295, 22077102 )、深圳市科創(chuàng)委(JCYJ20220818100804010,ZDSYS20210623091810032)及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
圖1 光促脫羧酶的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用
圖2 光促脫羧酶的理性設(shè)計(jì)與定向進(jìn)化改造
圖3 光促脫羧酶的理論模擬與催化機(jī)制解析
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