Nat.Chem. 脂肪酸光脫羧酶——自由基環化的“光生物催化劑”

一、【科學背景】

在過去十年間，新型天然自由基生物催化劑可以優先作用于特異立體異構體，獲得了快速發展。其中天然光酶家族體系受到廣泛關注，但需要穩定的光輸入才能進行催化反應。光酶體系中的高能中間體，為闡明生物催化劑的光物理化學特性以及挖掘新的光酶反應提供了肥沃的土壤。此外，自然光酶體系中的中間體有望通過促進不對稱自由基的催化轉化。然而實現對于自然光催化酶的人工再利用仍然是個極具挑戰的課題。

二、【科學貢獻】

美國加州大學圣塔芭芭拉分校的楊揚教授與匹茲堡大學的劉鵬教授，利用強氧化激發態咯肼，設計了脂肪酸光脫羧酶（FAPs）來催化非天然光氧化還原自由基C-C鍵的形成，成功開發出非天然谷胱甘肽S-轉移酶（RAPs），并通過開殼機制實現了立體控制環化反應。借助高通量實驗平臺的進步，使得RAPs具備了高度化學和立體選擇性。

本研究成功地進化出一組非對映和對映體發散的RAP變體，從而制備出四種可能的立體異構體二元化合物。這些結果代表了重新利用天然光酶以實現新自然化學的努力，并突顯了天然光酶在解決合成問題方面未被充分重視。與之前研究通過激發態咯肼強還原性進行操作"烯"去還原的光致酶不同，在光酶催化領域取得了新突破，重新利用FAPs中的RAPs則利用激發態咯肼（異咯嗪）強氧化能力來啟動自由基生物轉化。

圖1 FAPs作為新的自然立體選擇性RAPs的重新利用和定向進化

圖2 化學選擇性和立體選擇性 RAPs的發展：FAPs的開采和工程

圖3 RAPs催化不對稱脫羧自由基環化的底物范圍

圖4 正交光酶變體 CvRAP₃–CvRAP₆ 的定向進化,用于1p與CvRAP₂–CvRAP₆的立體發散不對稱自由基環化

三、【創新點】

作者設計了脂肪酸光脫羧酶（FAPs），利用強氧化性激發態咯肼來催化非自然光氧化還原自由基C-C鍵的形成。通過基因組挖掘、合理工程和定向進化，作者開發出一組具有優異的化學選擇性、對映選擇性和非對映選擇性的自由基光環化酶，這些酶能夠推動脫羧自由基環化反應，并抑制自由基介導的立體化學反應。

四、【科學啟迪】

作者實現了定向進化在FAP工程中的成功應用，并最終形成了一組完全對映異構和非對映異構的自由基C-C鍵形成酶。使得在天然光酶家族中通過FAPs提供非自然的C-C鍵形成活性，為控制自由基介導反應提供了可能。總之，FAPs具有雜合性和特殊可進化性，凸顯了解決長期存在于自由基化學和不對稱催化領域問題巨大潛力。

文章詳情：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01494-0