Nat.Chem. 脂肪酸光脱羧酶——自由基环化的“光生物催化剂”

一、【科学背景】

在过去十年间，新型天然自由基生物催化剂可以优先作用于特异立体异构体，获得了快速发展。其中天然光酶家族体系受到广泛关注，但需要稳定的光输入才能进行催化反应。光酶体系中的高能中间体，为阐明生物催化剂的光物理化学特性以及挖掘新的光酶反应提供了肥沃的土壤。此外，自然光酶体系中的中间体有望通过促进不对称自由基的催化转化。然而实现对于自然光催化酶的人工再利用仍然是个极具挑战的课题。

二、【科学贡献】

美国加州大学圣塔芭芭拉分校的杨扬教授与匹兹堡大学的刘鹏教授，利用强氧化激发态咯肼，设计了脂肪酸光脱羧酶（FAPs）来催化非天然光氧化还原自由基C-C键的形成，成功开发出非天然谷胱甘肽S-转移酶（RAPs），并通过开壳机制实现了立体控制环化反应。借助高通量实验平台的进步，使得RAPs具备了高度化学和立体选择性。

本研究成功地进化出一组非对映和对映体发散的RAP变体，从而制备出四种可能的立体异构体二元化合物。这些结果代表了重新利用天然光酶以实现新自然化学的努力，并突显了天然光酶在解决合成问题方面未被充分重视。与之前研究通过激发态咯肼强还原性进行操作"烯"去还原的光致酶不同，在光酶催化领域取得了新突破，重新利用FAPs中的RAPs则利用激发态咯肼（异咯嗪）强氧化能力来启动自由基生物转化。

图1 FAPs作为新的自然立体选择性RAPs的重新利用和定向进化

图2 化学选择性和立体选择性 RAPs的发展：FAPs的开采和工程

图3 RAPs催化不对称脱羧自由基环化的底物范围

图4 正交光酶变体 CvRAP₃–CvRAP₆ 的定向进化,用于1p与CvRAP₂–CvRAP₆的立体发散不对称自由基环化

三、【创新点】

作者设计了脂肪酸光脱羧酶（FAPs），利用强氧化性激发态咯肼来催化非自然光氧化还原自由基C-C键的形成。通过基因组挖掘、合理工程和定向进化，作者开发出一组具有优异的化学选择性、对映选择性和非对映选择性的自由基光环化酶，这些酶能够推动脱羧自由基环化反应，并抑制自由基介导的立体化学反应。

四、【科学启迪】

作者实现了定向进化在FAP工程中的成功应用，并最终形成了一组完全对映异构和非对映异构的自由基C-C键形成酶。使得在天然光酶家族中通过FAPs提供非自然的C-C键形成活性，为控制自由基介导反应提供了可能。总之，FAPs具有杂合性和特殊可进化性，凸显了解决长期存在于自由基化学和不对称催化领域问题巨大潜力。

文章详情：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01494-0