高锦明/周佳海/古阳团队在光促酶催化羧酸转化方面取得新进展

　　 　　

近日，陕西省天然产物化学生物学重点实验室高锦明团队、中国科学院深圳先进技术研究院周佳海和古阳团队在Org. Lett.上发表了题为“Enzymatic Photodecarboxylation on Secondary and Tertiary Carboxylic Acids”的研究论文。该研究通过对于光促脱羧酶FAP进行理性设计与定向进化改造，发展了一类新型的光促脱羧酶，实现了对于二级、三级等非天然底物的羧酸进行高效的光促脱羧转化，并应用于药物分子类似物的手性合成中。

羧酸作为化学合成与生物转化中基础分子，其绿色高效的转化一直受到合成科学领域的重要关注。传统的脱羧反应需要高温的介导、活化基团的引入、当量金属的参与等较为苛刻的反应条件，开发条件温和、基团兼容性好的羧酸脱羧转化，可以为基于羧酸的绿色合成制造提供重要的合成工具。光催化可以利用绿色可再生光能，通过光促激发态的活化，实现温和条件下的挑战性转化；同时酶催化可以利用蛋白分子与底物丰富的次级相互，实现复杂分子的选择性转化，所以发展光酶催化体系有望实现羧酸分子在温和条件下的高选择性转化。

图1 光促脱羧酶的转化与应用

FAP作为一类具有光促脱羧活性的光酶，可以在蓝光诱导下对于油脂等天然底物进行脱羧生成相应的烷烃，但是野生型FAP对于二级、三级羧酸等大位阻的非天然底物反应活性低，限制了其应用范围。研究团队通过对于野生型FAP进行基于结构的理性设计与定向进化改造，发掘了含有Y466F /F469V/T131V的三点突变体，实现了对于金刚烷酸等大位阻羧酸的光促脱羧转化。随后在对于该酶促反应的条件进一步优化中，研究团队发现使用稳定性高、易于操作的全细胞冻干粉作为催化剂可以大幅提高反应的转化率。

图2 光促脱羧酶的理性设计与定向进化改造

在最优条件下，研究团队对于底物适用性进行了考察。该光酶催化体系具有广普性和良好的基团兼容性，对于一系列二级、三级羧酸包括含酮基、脂基、胺基等多种官能团的底物都具有不错的转化率。值得指出的是，对于杂环类羧酸等重要的药物分子中间体，该光酶也可以顺利实现其光促脱羧转化，并对消旋底物的手性合成，证明了该光酶有望应用于药物分子的生物合成中。最后研究团队通过模板底物与蛋白结构的分子对接和动力学模拟等计算手段，进一步阐释了突变体中羧酸底物与光反应活性中心FAD分子的距离是决定反应速率的关键因素，为后续的光酶改造提供了理论指导。

图3 光促脱羧酶的理论模拟与催化机制解析

综上，本研究发现了一类可以催化二级、三级羧酸光促脱羧的工具酶，拓展了光促酶催化生物转化的合成策略，丰富了合成生物学的光控酶元件。

本文的第一作者为联合培养博士研究生郑杰，通讯作者为高锦明教授、周佳海研究员和古阳副研究员，中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员谌庄琳博士对于理论计算部分也做出了重要贡献。

该工作受到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.orglett.3c03356