科技日報記者 吳純新 通訊員 高翔
9月22日，記者從華中科技大學獲悉，該校化學與化工學院鐘芳銳、吳鈺周教授團隊與西北大學陳希教授合作的研究論文，日前在《自然》刊發。該研究原創性提出了一種“三重態光酶”新概念，團隊通過合成生物學前沿技術開發了一類全新人工酶生物催化劑，融合化學合成的非天然反應性和生物合成的精準高效性兩方面優勢，為醫藥、材料等領域重要功能化學品的綠色生物制造提供新的理論和技術。
這一研究成果將助力綠色生物制造，推動傳統化學化工生產向生物化工生產演進。
酶作為自然界漫長演化形成的高效生物催化劑，往往僅適用于專一的底物和天然的生命化學反應，難以滿足社會生產對多樣性功能化學品合成需求。
近年來，隨著合成生物學理論與技術發展，通過在蛋白中人為設計和引入非天然活性中心構建人工酶，能極大拓展酶的催化反應性，從而實現更多樣化非天然有機化學品的生物催化合成。雖然自然進化形成的生物酶數量和種類繁多，功能多樣，而絕大多數都是基于熱化學驅動活化機制。
“能受光驅動的天然光酶十分稀缺，目前已發現的光酶僅有光合作用相關的原葉綠素酸酯還原酶、修復DNA損傷的光裂合酶、脂肪酸脫羧酶等少數幾種。”上述研究團隊介紹，將合成化學發展的光催化劑和光催化機制融合到蛋白中構建新型人工光酶，能突破天然酶熱催化機制局限，從根本上拓展生物催化反應類型，為重要功能化學品的綠色生物制造提供新理論和技術。
同時，手性與生命現象密切相關，也顯著影響物質性能。手性分子精準合成能為醫藥、農藥、信息和材料領域的發展提供核心技術支持。不對稱催化是制備手性分子的高效途徑，這一領域相關研究在過去半個世紀里已取得巨大進展。然而，在激發態進行的光化學反應的手性控制仍是一個巨大挑戰。
針對上述問題，鐘芳銳、吳鈺周團隊的研究，為激發態光反應的手性催化合成提供一種原創性方案。團隊基于有機合成、基因工程、蛋白質工程、酶理論計算和結構生物學等交叉學科背景，將合成化學發展的二苯甲酮類優異光敏劑通過基因密碼子拓展技術定點插入到選定蛋白的手性空腔中，構建含非天然催化活性中心的人工光酶TPe。
從化學改造構建的第一代三重態光酶TPe1.0，研究團隊通過四輪突變迭代優化酶的氨基酸殘基和反應空腔結構，建立突變體文庫，完成光酶的定向進化，最終獲得優異的突變體TPe4.0。
陳希團隊通過X-射線解析光酶與底物配合物的單晶結構，闡明了反應優異的手性選擇性來源于光敏劑和周邊關鍵氨基酸殘基與底物之間形成的氫鍵等多重弱鍵協同作用。
這項研究表明，通過將三重態能量轉移的光催化機制與蛋白質的精細超分子腔相結合，人工三重態光酶集成了化學光催化劑的高效反應性和生物催化劑的精準選擇性兩者的優勢，為有機分子激發態反應的手性選擇性調控提供有效手段，也從根本上拓展酶催化的反應性。
研究團隊表示，隨著計算輔助的人工酶理性設計能力不斷提升和基因密碼子拓展技術進一步發展，更多結構和性質獨特的化學光敏劑將被引入蛋白創造新的非天然光酶，豐富光驅動生物催化的功能和應用范圍。
據悉，吳鈺周、鐘芳銳和陳希為上述論文共同通訊作者，華科大化學與化工學院博士生孫寧寧和黃建建為該文章共同第一作者，華中科技大學為該論文第一作者單位。
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