新研究探索廉价原料转化“细胞工厂”

  华中科技大学教授钟芳锐团队和中国科学院生物物理研究所研究员王江云合作，实现了首例人工光酶催化的脱卤还原反应，将廉价易得的芳卤类化学原料一步转化为高附加值的氘代芳烃，并且通过基因重组的大肠杆菌进行全细胞光生物催化，具有条件温和、选择性高、底物普适性广等优点。该研究突破了天然生物酶自然进化形成的结构和功能，拓展了生物催化的反应类型和化学空间。相关成果近日在线发表于《化学》（Chem）。

  生物催化已经成为可持续有机合成的重要工具。近年来，钟芳锐团队基于化学原理驱动酶催化选择性合成的理念，发展了含有非天然光敏活性基团的人工光敏金属酶和“三重态光酶”，扩展了多铜氧化酶的催化杂泛性，实现了非天然吲哚类底物的立体选择性氧化交叉偶联反应。

  在上述人工生物催化研究基础上，研究团队深入开展化学和生物催化交叉研究，利用基因密码拓展技术重构开发了含化学光催化剂的人工光敏脱卤酶（RPDase），通过捕获光子能量来驱动广谱性芳香卤化物的脱卤氢/氘化。

  进一步的控制实验发现，脱卤还原的氢原子专一性地来源于甲酸钠，且不受反应液介质影响。基于这一发现，团队以氘代甲酸钠为还原剂，发展了一种专一选择性的生物催化脱卤氘化反应，并成功应用于一系列生物活性分子的氘代衍生物制备中。

  研究团队对该人工光生物催化体系的酶催化机制进行了深入探究，并提出了可能的光生物催化机制。基于相关技术，团队进一步使用表达RPDase的重组大肠杆菌细胞进行全细胞光生物催化。RPDase在活细胞条件中能同时利用内源的NADPH和外源的甲酸钠实现芳香卤化物的脱卤氢化。该研究结果表明，含有非天然光催化剂的人工光生物催化有望成为廉价易得的化学原料高值化转化的“细胞工厂”。

  相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.03.006