9月22日，記者從華中科技大學(xué)獲悉，該校化學(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)陳希教授合作的研究論文，日前在《自然》刊發(fā)。該研究原創(chuàng)性提出了一種“三重態(tài)光酶”新概念，團(tuán)隊(duì)通過合成生物學(xué)前沿技術(shù)開發(fā)了一類全新人工酶生物催化劑，融合化學(xué)合成的非天然反應(yīng)性和生物合成的精準(zhǔn)高效性兩方面優(yōu)勢(shì)，為醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域重要功能化學(xué)品的綠色生物制造提供新的理論和技術(shù)。

這一研究成果將助力綠色生物制造，推動(dòng)傳統(tǒng)化學(xué)化工生產(chǎn)向生物化工生產(chǎn)演進(jìn)。

酶作為自然界漫長(zhǎng)演化形成的高效生物催化劑，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)品合成需求。

近年來，隨著合成生物學(xué)理論與技術(shù)發(fā)展，通過在蛋白中人為設(shè)計(jì)和引入非天然活性中心構(gòu)建人工酶，能極大拓展酶的催化反應(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，而絕大多數(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。”上述研究團(tuán)隊(duì)介紹，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)制局限，從根本上拓展生物催化反應(yīng)類型，為重要功能化學(xué)品的綠色生物制造提供新理論和技術(shù)。

同時(shí)，手性與生命現(xiàn)象密切相關(guān)，也顯著影響物質(zhì)性能。手性分子精準(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的高效途徑，這一領(lǐng)域相關(guān)研究在過去半個(gè)世紀(jì)里已取得巨大進(jìn)展。然而，在激發(fā)態(tài)進(jìn)行的光化學(xué)反應(yīng)的手性控制仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，鐘芳銳、吳鈺周團(tuán)隊(duì)的研究，為激發(fā)態(tài)光反應(yīng)的手性催化合成提供一種原創(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)建含非天然催化活性中心的人工光酶TPe。

從化學(xué)改造構(gòu)建的第一代三重態(tài)光酶TPe1.0，研究團(tuán)隊(duì)通過四輪突變迭代優(yōu)化酶的氨基酸殘基和反應(yīng)空腔結(jié)構(gòu)，建立突變體文庫(kù)，完成光酶的定向進(jìn)化，最終獲得優(yōu)異的突變體TPe4.0。

陳希團(tuán)隊(duì)通過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。

這項(xiàng)研究表明，通過將三重態(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)控提供有效手段，也從根本上拓展酶催化的反應(yīng)性。

研究團(tuán)隊(duì)表示，隨著計(jì)算輔助的人工酶理性設(shè)計(jì)能力不斷提升和基因密碼子拓展技術(shù)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，豐富光驅(qū)動(dòng)生物催化的功能和應(yīng)用范圍。

據(jù)悉，吳鈺周、鐘芳銳和陳希為上述論文共同通訊作者，華科大化學(xué)與化工學(xué)院博士生孫寧寧和黃建建為該文章共同第一作者，華中科技大學(xué)為該論文第一作者單位。