科学家以光酶催化实现不对称自由基酰基化
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作者：合肥物质科学研究院
发布于：2023-12-25
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- 中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、安徽省高场磁共振成像重点实验室田长麟团队，联合南京大学黄小强团队与梁勇团队，在光酶催化研究领域取得进展。针对合作团队开发的焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖酶和光催化协同的双催化新体系，田长麟团队依托稳态强磁场实验装置电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，EPR），鉴定了催化反应中的自由基中间体及电子转移机制。12月18日，相关研究成果在线发表在《自然》（Nature）上。
- 生物制造是变革工业可持续发展最有希望的绿色技术之一。然而，生物制造的“芯片”——酶，面临催化机制理解相对有限等问题。
- 酶催化与光催化结合的光酶催化，融合了可见光化学多样的反应性和酶的高选择性，成为开发新酶功能最前沿的策略。该团队综合利用仿生和化学模拟的思路（图1），借助可见光激发和定向进化手段，改造焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖酶，从而将ThDP依赖的苯甲醛裂解酶“重塑”为自由基酰基转移酶（RAT），实现了一例非天然的高对映选择性的自由基-自由基偶联反应。
- 针对这一光酶双催化体系，该团队综合应用低温电子顺磁共振技术和理论化学计算等方式，对机理开展了研究。其中，研究通过低温（80K）下的电子顺磁共振实验，捕获到由ThDP所衍生的ketyl自由基（Int. B）。同时，控制实验表明，PfBAL酶、光敏剂Eosin Y、底物1a、光照均是产生该自由基中间体必不可少的关键因素。此外，研究通过EPR自旋捕获（spin trapping）实验在标准反应体系中检测到特征的六重裂分谱图，证实其为中间体benzylic radical（Int. C）与捕获剂加成后的自由基产物（图2）。电子顺磁共振实验为证实该催化循环中两种关键的自由基中间体（Int. B和Int. C）的存在提供了关键的直接实验证据，揭示了新酶反应性的关键以及高立体化学选择性的来源。
- 研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院青年创新促进会等的支持。
- 论文链接
- 图1. 融合化学与生物，开发新生物合成体系
- 图2. 机理推测与基于EPR方法的机理探究
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