碳-氫鍵的直接選擇性羥化是合成化學(xué)領(lǐng)域長期以來面對的一項重要挑戰(zhàn)。隨著對高選擇性生物酶的發(fā)掘和改造，國內(nèi)外多個研究組在酶促碳-氫鍵的選擇性氧化方面已取得了系列重要進展。然而，對給定底物任意位點上的碳-氫鍵實現(xiàn)區(qū)域和立體選擇的多樣性羥化仍是一個難以企及的夢幻般的挑戰(zhàn)（dream reaction）。
青島能源所叢志奇研究員帶領(lǐng)的單碳酶催化研究組近年來在國際上首次提出了“雙功能小分子協(xié)同P450酶催化”概念，建立了人工P450過加氧酶系統(tǒng)（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7628, selected as Very Important Paper, Highlighted by Chemistry Views），先后實現(xiàn)了氣態(tài)烷烴分子選擇性羥化（ACS Catal. 2019, 9, 7350）、木質(zhì)素單體化合物選擇性脫甲基化（Catal. Sci. Technol. 2020, 10, 1219）、苯乙烯高度R-對映選擇性環(huán)氧化（Chem. Sci. 2021, 12, 6307，F(xiàn)eatured in “hot off the press” in Nat. Prod. Rep. 2021, 38, 1053），為解決碳-氫鍵選擇氧化這一世界性科學(xué)難題提供了獨特方案，也為解決上述問題提供了新的思路?！ ?
研究人員在人工P450過加氧酶催化的烷基苯羥化反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，外源雙功能小分子對反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性均有一定影響，由此萌生了利用外源分子調(diào)控和干預(yù)工程化酶催化行為的思路，進而開發(fā)出外源分子協(xié)同P450酶共進化的蛋白質(zhì)工程新策略，獲得了分別適配不同雙功能小分子的多個不同版本的P450BM3突變酶，通過這些雙功能小分子與突變酶的特定組合，分別實現(xiàn)了對烷基苯全部潛在羥化產(chǎn)物中半數(shù)以上的高度區(qū)域和立體選擇性羥化，化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性最高均可達>99%，對映選擇性最高可達>99% ee，最高催化轉(zhuǎn)化數(shù)（total turnover numbers）可達81000，催化性能遠(yuǎn)優(yōu)于目前任何已報道的天然或工程P450酶。此外，研究人員還通過共結(jié)晶結(jié)構(gòu)解析、大分子動力學(xué)模擬以及量化計算深入研究了產(chǎn)生高度選擇性的分子基礎(chǔ)和酶化學(xué)機制，揭示了羥化過程中不同外源分子與突變酶組合對不同反應(yīng)位點碳-氫鍵的偏好性和產(chǎn)物特異性的協(xié)同控制效應(yīng)。上述工作為實現(xiàn)在任意位點對給定底物進行羥化編輯修飾提供了新的思路和策略，顯示了外源分子協(xié)同酶催化策略在拓展生物酶催化在合成化學(xué)中的應(yīng)用邊際方面的巨大潛力。
相關(guān)工作近日已在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊Angew. Chem. Int. Ed.《德國應(yīng)用化學(xué)》。青島能源所陳杰博士、東升博士，廈門大學(xué)房文涵為論文共同第一作者，青島能源所叢志奇研究員、馮銀剛研究員和廈門大學(xué)王斌舉教授為共同通訊作者。本研究得到國家自然科學(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、山東省博士后創(chuàng)新人才支持計劃、山東省博士后創(chuàng)新項目、青島能源所和山東能源研究院基金等的大力支持。
圖1雙功能小分子協(xié)同P450過加氧酶催化烷基苯的區(qū)域及立體選擇多樣性羥化
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202215088
Chen, J.#, Dong, S.#, Fang, W.#, Jiang, Y., Chen, Z., Qin, X., Wang, C., Zhou, H., Jin, L., Feng, Y.*, Wang, B.* and Cong, Z.* Regiodivergent and Enantioselective Hydroxylation of C-H bonds by Synergistic Use of Protein Engineering and Exogenous Dual-Functional Small Molecules. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202215088.
