細(xì)胞色素P450酶是一類含血紅素的單加氧酶，在藥物代謝、異生物質(zhì)解毒和類固醇生物合成中發(fā)揮重要作用，同時因其具有多功能生物氧化催化、合成的應(yīng)用潛力而備受關(guān)注。針對絕大多數(shù)天然P450單加氧酶催化功能的實現(xiàn)高度依賴輔酶NAD(P)H和負(fù)責(zé)電子傳遞的還原伴侶蛋白的關(guān)鍵科學(xué)問題，青島能源所叢志奇研究員帶領(lǐng)的單碳酶催化研究組成功構(gòu)建了雙功能小分子（DFSM）協(xié)同P450酶催化系統(tǒng)，能夠有效利用過氧化氫作為末端氧化劑，解除P450酶對輔酶體系依賴的同時極大提高P450BM3對苯乙烯、乙苯、和苯甲硫醚等非天然底物的催化活性，為基于P450酶的生物催化劑開發(fā)提供了新的思路（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7628-7633. Very important paper, Highlighted by Chemistry Views）。
最近，單碳酶催化研究組與代謝物組學(xué)研究組馮銀剛研究員團(tuán)隊合作，巧妙地利用羥胺代替過氧化氫，成功制備并解析了蛋白-羥胺-雙功能小分子三元復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，建立了雙功能小分子協(xié)同P450活化過氧化氫的預(yù)反應(yīng)態(tài)模型，為解析其分子機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖1）；進(jìn)而與廈門大學(xué)王斌舉教授團(tuán)隊合作，通過理論計算模擬，進(jìn)一步闡明了雙功能小分子介入活性中心氫鍵網(wǎng)絡(luò)、使過氧化氫以較低能壘的異裂方式被活化，有利于反應(yīng)活性物種生成，從而大幅提高了P450酶催化活力的反應(yīng)機(jī)理（ACS Catal. 2021, 11, 8774-8785）。
圖1 “雙功能分子-P450-羥胺”三元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)
近年來，單碳酶催化研究組先后報道了DFSM協(xié)同P450酶催化系統(tǒng)高效的過加氧酶（peroxygenase）功能，比如催化氣態(tài)烷烴分子的選擇羥化（ACS Catal. 2019, 9, 7350-7355）、木質(zhì)素單體芳醚的脫甲基化（Catal. Sci. Technol. 2020, 10, 1219-1223. Inside front cover）、以及苯乙烯的高度R-對映選擇性環(huán)氧化（Chem. Sci. 2021, 12, 6307-6314. Back cover, highlighted in “hot off the press” in Nat. Prod. Rep. 2021, 38, 1053）。為拓展DFSM協(xié)同P450酶系統(tǒng)的催化多功能性，研究人員利用酶化學(xué)機(jī)制指導(dǎo)的蛋白質(zhì)工程策略將該系統(tǒng)由過加氧酶轉(zhuǎn)換為過氧化物酶（peroxidase）模式，開發(fā)了DFSM協(xié)同P450酶催化系統(tǒng)的過氧化物酶新功能（ACS Catal. 2021, 11, 8449-8455）。
圖2 DFSM促進(jìn)的P450過加氧酶至過氧化物酶的功能轉(zhuǎn)換
過氧化物酶是一類重要的氧化還原酶，在生物催化、生物傳感器和生物醫(yī)學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。在細(xì)胞色素P450酶研究中，與單加氧酶和過加氧酶催化功能相比，對其過氧化物酶活性的研究仍然較少。研究人員基于對DFSM協(xié)同P450酶系統(tǒng)中三種可能催化途徑的機(jī)制分析，提出了氧化還原敏感殘基的競爭性氧化途徑可能是阻礙該系統(tǒng)過氧化物酶功能的主要原因的假設(shè)，進(jìn)而通過對不同種類氧化還原敏感殘基進(jìn)行熱點篩選和迭代組合突變，成功開發(fā)出DFSM協(xié)同P450酶系統(tǒng)的過氧化物酶新功能（圖2），能夠高效催化愈創(chuàng)木酚、2,6-二甲氧基苯酚、鄰苯二胺、對苯二胺的一電子氧化反應(yīng)，催化性能可媲美或超過大多數(shù)天然過氧化物酶。與廈門大學(xué)王斌舉教授團(tuán)隊的模擬計算合作研究表明，DFSM協(xié)同P450系統(tǒng)中過氧化物酶活性可能來源于消除氧化還原敏感殘基的競爭性氧化或蛋白質(zhì)工程后底物的重定位。該研究進(jìn)一步證明了DFSM協(xié)同P450酶催化系統(tǒng)的可塑性和在生物催化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為發(fā)展基于P450酶的生物催化劑提供了新的見解和策略。
目前上述兩項相關(guān)工作均發(fā)表于國際催化領(lǐng)域權(quán)威雜志ACS Catalysis。廈門大學(xué)張璇博士、青島能源所姜誼平博士、廈門大學(xué)陳倩倩為論文一的共同第一作者，廈門大學(xué)王斌舉教授、青島能源所叢志奇研究員、馮銀剛研究員為共同通訊作者；青島能源所博士研究生馬娜娜和廈門大學(xué)房文涵為論文二的共同第一作者，叢志奇研究員、王斌舉教授為共同通訊作者。上述工作得到國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃，青島市創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃，青島能源所創(chuàng)新基金以及山東省合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心等的大力支持。
附錄：
1.Zhang, X.+; Jiang, Y. +; Chen, Q. +; Dong, S.; Feng, Y.*; Cong, Z.*; Shaik, S.; Wang, B.* H-Bonding Networks Dictate the Molecular Mechanism of H2O2 Activation by P450. ACS Catalysis 2021, 11, 8774-8785.
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c02068
2.Ma, N. +; Fang, W. +; Liu, C.; Qin, X.; Wang, X.; Jin, L.; Wang, B.*; Cong, Z.* Switching an Artificial P450 Peroxygenase into Peroxidase via Mechanism-Guided Protein Engineering. ACS Catalysis 2021, 11, 8449-8455.
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c02698
