9月21日，化學(xué)與化工學(xué)院鐘芳銳、吳鈺周教授團(tuán)隊(duì)與西北大學(xué)陳希教授合作的論文Enantioselective [2+2]-cycloadditions with triplet photoenzymes在《Nature》刊發(fā)。吳鈺周、鐘芳銳和陳希為本文的共同通訊作者，化學(xué)與化工學(xué)院博士生孫寧寧和黃建建為本文的共同第一作者，華中科技大學(xué)為該論文的第一作者單位。
酶是自然界漫長(zhǎng)演化形成的高效生物催化劑，但往往僅適用于專一的底物和天然的生命化學(xué)反應(yīng)，難以滿足社會(huì)生產(chǎn)對(duì)多樣性功能化學(xué)品的合成需求。近年來(lái)，隨著合成生物學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)在蛋白中人為設(shè)計(jì)和引入非天然活性中心構(gòu)建人工酶，能夠極大地拓展酶的催化反應(yīng)性，從而實(shí)現(xiàn)更多樣化非天然有機(jī)化學(xué)品的生物催化合成。雖然自然進(jìn)化形成的生物酶數(shù)量和種類繁多，功能多樣，但絕大多數(shù)都是基于熱化學(xué)驅(qū)動(dòng)活化機(jī)制。能受光驅(qū)動(dòng)的天然光酶十分稀缺，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的光酶僅有光合作用相關(guān)的原葉綠素酸酯還原酶、修復(fù)DNA損傷的光裂合酶、脂肪酸脫羧酶等少數(shù)幾種。將合成化學(xué)發(fā)展的光催化劑和光催化機(jī)制融合到蛋白中構(gòu)建新型人工光酶，能突破天然酶熱催化機(jī)制的局限，從根本上拓展生物催化的反應(yīng)類型，為重要功能化學(xué)品的綠色生物制造提供新的理論和技術(shù)。
另一方面，手性與生命現(xiàn)象密切相關(guān)，也顯著影響物質(zhì)的性能。手性分子的精準(zhǔn)合成能為醫(yī)藥、農(nóng)藥、信息和材料領(lǐng)域的發(fā)展提供核心技術(shù)支持。不對(duì)稱催化是制備手性分子十分高效的途徑，這一領(lǐng)域的研究在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。然而，在激發(fā)態(tài)進(jìn)行的光化學(xué)反應(yīng)的手性控制仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
“三重態(tài)光酶”的藝術(shù)示意圖
針對(duì)上述問(wèn)題，鐘芳銳、吳鈺周團(tuán)隊(duì)提出了“三重態(tài)光酶”的概念，通過(guò)合成生物學(xué)前沿技術(shù)開(kāi)發(fā)了一類全新的人工酶，為激發(fā)態(tài)光反應(yīng)的手性催化合成提供了一種原創(chuàng)性方案。團(tuán)隊(duì)基于有機(jī)合成、基因工程、蛋白質(zhì)工程、酶理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)生物學(xué)等交叉學(xué)科背景，將合成化學(xué)發(fā)展的二苯甲酮類優(yōu)異光敏劑通過(guò)基因密碼子拓展技術(shù)定點(diǎn)插入到選定蛋白的手性空腔中，構(gòu)建了含非天然催化活性中心的人工光酶TPe。由于二苯甲酮獨(dú)特優(yōu)異的三重態(tài)光物理性質(zhì)，該光酶具有能量轉(zhuǎn)移催化的非天然功能和作用機(jī)制，能催化底物從分子基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)發(fā)生光反應(yīng)。從化學(xué)改造構(gòu)建的第一代三重態(tài)光酶TPe1.0，團(tuán)隊(duì)通過(guò)四輪突變迭代優(yōu)化酶的氨基酸殘基和反應(yīng)空腔結(jié)構(gòu)，建立了突變體文庫(kù)，完成了光酶的定向進(jìn)化，最終獲得了優(yōu)異的突變體TPe4.0。該光酶能高效催化吲哚衍生物的分子內(nèi)[2+2]光環(huán)加成反應(yīng)，所獲得的環(huán)丁烷并吲哚啉類產(chǎn)物具有良好的底物普適性和手性選擇性(可以獲得大于99%的單一手性異構(gòu)體)。陳希團(tuán)隊(duì)通過(guò)X-射線解析光酶與底物配合物的單晶結(jié)構(gòu)，闡明了反應(yīng)優(yōu)異的手性選擇性來(lái)源于光敏劑和周邊關(guān)鍵氨基酸殘基與底物之間形成的氫鍵等多重弱鍵協(xié)同作用。
三重態(tài)光酶（TPe）催化能量轉(zhuǎn)移[2+2]光環(huán)加成反應(yīng)示意圖
這項(xiàng)研究表明，通過(guò)將三重態(tài)能量轉(zhuǎn)移的光催化機(jī)制與蛋白質(zhì)的精細(xì)超分子腔相結(jié)合，人工三重態(tài)光酶集成了化學(xué)光催化劑的高效反應(yīng)性和生物催化劑的精準(zhǔn)選擇性兩者的優(yōu)勢(shì)，為有機(jī)分子激發(fā)態(tài)反應(yīng)的手性選擇性調(diào)控提供了有效的手段，也從根本上拓展了酶催化的反應(yīng)性。隨著計(jì)算輔助的人工酶理性設(shè)計(jì)能力的不斷提升和基因密碼子拓展技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)獨(dú)特的化學(xué)光敏劑將被引入蛋白創(chuàng)造新的非天然光酶，從而豐富光驅(qū)動(dòng)生物催化的功能和應(yīng)用范圍。因此，研究團(tuán)隊(duì)提出的“三重態(tài)光酶”這一概念有希望應(yīng)用于其它更多類型的不對(duì)稱光催化反應(yīng)。
該工作為鐘芳銳、吳鈺周團(tuán)隊(duì)與陳希、深圳技術(shù)大學(xué)趙偉寧副教授、華中科技大學(xué)廖榮臻教授合作完成，他們分別提供了蛋白晶體解析、蛋白質(zhì)譜、理論計(jì)算等方面的支持。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，得到了華中科技大學(xué)分析與測(cè)試中心、化學(xué)與化工學(xué)院分析與測(cè)試中心和上海同步輻射光源的儀器支持。
該論文是吳鈺周、鐘芳銳團(tuán)隊(duì)在化學(xué)生物學(xué)和有機(jī)合成化學(xué)交叉領(lǐng)域取得的突破性成果。吳鈺周長(zhǎng)期從事蛋白質(zhì)、核酸等天然生物大分子的化學(xué)修飾及合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究，主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目，研究方向包括非天然酶和蛋白材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用、核酸化學(xué)修飾及納米醫(yī)藥材料，相關(guān)研究成果在Nature、Chemical Review、JACS、Angew Chem等國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表論文80余篇。鐘芳銳長(zhǎng)期從事綠色仿生有機(jī)合成領(lǐng)域的研究，主要方向包括不對(duì)稱催化和生物催化，在Nature、JACS、Angew Chem等期刊上發(fā)表論文50余篇。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05342-4
課題組鏈接：http://faculty.hust.edu.cn/zhongfangrui/zh_CN/index.htm
