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首页 测试百科 祝贺!华中科技大学/西北大学,重磅成果问鼎《Nature》!

祝贺!华中科技大学/西北大学,重磅成果问鼎《Nature》!

一、研究背景

电子被提升到激发态的有机分子的前线轨道与基态的轨道有着根本的不同。这一特点支撑了许多重要的热化学禁止的光化学转化。在这方面,能量转移(EnT)催化提供了一个强大的工具来填充三重态并实现各种重要的光化学转变,包括[2+2]环加成、电环化、异构化和其他。在典型的EnT催化场景中,一种相对长寿命的三重态光敏剂,由其激发单重态(S1)的系统间交叉产生,通过(Dexter)能量转移将衬底从基态(S0)提升到三重态(T1)。与成熟的基态不对称催化不同,其中手性催化剂相关过渡态通常具有较低的活化势垒,以确保对映体选择性途径的优势,光敏剂促进的T1态分子获得足够的能量,以自发进行后续反应,而无需进一步催化。因此,为了实现三态对映体诱导,反应底物分子必须在光敏化之前已经在手性络合物中缔合。为此,一种可行的策略是使用亲合性手性光敏剂。尽管功能强大,该策略取决于一组确定的(非)共价相互作用和结构独特的底物。与小分子催化剂相比,酶通过协同多种非共价相互作用(例如氢键、π-π堆积、疏水相互作用)来协调活性位点中的底物,从而控制反应对映体选择性。这些优点通过工程生物催化剂的光诱导电子转移促进了几个不对称反应。然而,对映选择性EnT生物催化仍然是未知的。

二、研究成果

自然进化的酶,尽管种类繁多,功能多样,但主要通过热化学活化来运作。将突出的光催化模式整合到蛋白质中,例如三重态能量转移,可以创造出扩大自然生物催化范围的人工光酶。华中科技大学钟芳锐教授、吴钰周教授和西北大学陈希教授课题组合作开发了基因重组、化学进化的光酶,其中嵌入了一种合成的三重态光敏剂,能够激发态对映体诱导。通过四轮定向进化进行的结构优化为吲哚衍生物的对映体选择性分子内[2+2]光环加成提供了熟练的变体,具有良好的底物通用性和极好的对映体选择性(对映体过量高达99%)。光酶-底物络合物的晶体结构阐明了介导反应立体化学的非共价相互作用。这项研究扩展了超分子蛋白质腔中人工三重态光酶的能量转移反应,并为有价值的对映选择性光化学合成开辟了一条综合途径,这是合成或生物世界都无法实现的。相关研究工作以“Enantioselective [2+2]-cycloadditions with triplet photoenzymes”为题发表在国际顶级期刊《Nature。祝贺华中科技大学、西北大学!

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三、图文速递

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图1. 设计用于对映选择性[2+2]环加成的三重态光酶(TPe)

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2. TPe的定向演化

作者设想,如果精确地建立了人工光敏中心,蛋白质可以作为一种适应性工具来调节三重态态对映体诱导。在这方面,遗传密码的扩展提供了一种显著的方法,可以将功能性非经典氨基酸选择性地并入蛋白质。最近,作者已经证明了人工金属酶的扩展谱,其中含有编码的二苯甲酮光敏剂,用于芳基卤化物通过EnT的交叉偶联反应。这里,研究发现,基于复杂蛋白质结构的基因工程三重态光酶(TPes)可以介导高度对映体选择性[2+2]的光环加成,这对现有的手性化学催化剂来说是一个挑战(图1c)。通过定向进化优化的手性腔精确地分布在光催化中心周围多功能元素,呈现高效的EnT高产率和对映体过量的吲哚底物集合的催化作用(e.e.)。

为了开始研究,作者选择多药耐药调节剂LmrR作为光酶发育的蛋白支架。这种蛋白质在二聚体界面上有一个大的疏水结合囊。吲哚衍生物1a的分子内[2+2]光环加成被选择来证明该概念。衍生的环丁烷融合四环螺环吲哚2a 是一个有价值的多环吲哚类衍生物大家族中有趣的成员,但其对映体选择性制备尚不清楚(图2a),4-苯甲酰苯基丙氨酸(BpA,图2a)被用作光敏剂,以使用遗传密码扩展构建人工光催化中心。值得注意的是,二苯甲酮是一种典型的高效光敏剂,具有近100%的体系间交叉产率、较长的三重态寿命(τ=50 μs)和较高的三重能(ET=69.1 kcal mol-1)。它在乙腈中的1a模型反应中表现出优异的性能,记录到91%的产率(图2d)。

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3晶体结构指导下的TPe优化

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图4 TPe的基底范围

作者在随后的研究发现,TPe3.0具有明显的底物特异性。吲哚环上的取代基显著恶化了对映体诱导作用(2h、2m和2n,图3d)。然而,产品2b的产率为92%和93% e.e,来自吲哚1b。为了深入了解底物与光酶的相互作用,为进一步的轮定向进化提供指导,解决了TPe3.0及其与1b的络合物的晶体结构(分别为2.6Å和2.5Å)。相关残基(V15、L18、M89、A92、BpA、L96)的构象变化不显著,根-面-平方距离值为0.259Å,表明存在锁-键结合模式。如图3a所示,二苯甲酮-吲哚-吲哚-二苯甲酚(分别为5.2 Å和5.5Å,图3a)的层间π-π相互作用在二聚体界面空腔中是不同的,这确保了从三重态二苯甲醚到吲哚的有效EnT。这也解释了在原始W96存在的情况下,较差的对映选择性不利于上述堆叠模式。立体化学可能来自二聚体结构中对称吲哚底物封闭的对映体面(图3a)。V15、A92和L96与吲哚的弱π-烷基相互作用,以及M89和二苯甲酮对烯烃部分的弱配位,有助于固定底物的构象,有利于观察到的对映体分化(图3b)。这些假设与第二轮和第三轮定向进化中的实验结果一致,即这些残基的突变导致对映体选择性显著降低。

四、结论与展望

总之,三重态光酶是通过编码合成光敏剂非天然氨基酸来开发的,以创建一个全新的光催化中心,并通过定向进化进行优化。基于聚焦库的定向进化回合确定了进化的光酶变异体,该变异体能够实现吲哚衍生物的对映选择性分子内[2+2]光环加成(15个条目,80-97%产率,全部≥ 90%e.e.)。TPe底物络合物的晶体结构阐明了底物与周围残基的次相互作用诱导的对映体选择性的起源。这项研究表明,多功能合成光催化剂与一种大分子蛋白质的合并可以产生新的反应性范式,从根本上扩展酶的催化能力,以介导新的至自然光化学反应。复杂而精细的蛋白质空腔为控制激发态键众所周知的困难对映体选择性提供了最佳的手性环境。考虑到计算辅助人工酶设计的能力以及重组基因编码的不断扩展,以整合更强健的非标准氨基酸光催化剂,三重态光酶有望成为有价值的对映体选择性光化学转化的通用解决方案。

五、文献

文献链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05342-4

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