科技日报记者 吴纯新 通讯员 高翔
9月22日，记者从华中科技大学获悉，该校化学与化工学院钟芳锐、吴钰周教授团队与西北大学陈希教授合作的研究论文，日前在《自然》刊发。该研究原创性提出了一种“三重态光酶”新概念，团队通过合成生物学前沿技术开发了一类全新人工酶生物催化剂，融合化学合成的非天然反应性和生物合成的精准高效性两方面优势，为医药、材料等领域重要功能化学品的绿色生物制造提供新的理论和技术。
这一研究成果将助力绿色生物制造，推动传统化学化工生产向生物化工生产演进。
酶作为自然界漫长演化形成的高效生物催化剂，往往仅适用于专一的底物和天然的生命化学反应，难以满足社会生产对多样性功能化学品合成需求。
近年来，随着合成生物学理论与技术发展，通过在蛋白中人为设计和引入非天然活性中心构建人工酶，能极大拓展酶的催化反应性，从而实现更多样化非天然有机化学品的生物催化合成。虽然自然进化形成的生物酶数量和种类繁多，功能多样，而绝大多数都是基于热化学驱动活化机制。
“能受光驱动的天然光酶十分稀缺，目前已发现的光酶仅有光合作用相关的原叶绿素酸酯还原酶、修复DNA损伤的光裂合酶、脂肪酸脱羧酶等少数几种。”上述研究团队介绍，将合成化学发展的光催化剂和光催化机制融合到蛋白中构建新型人工光酶，能突破天然酶热催化机制局限，从根本上拓展生物催化反应类型，为重要功能化学品的绿色生物制造提供新理论和技术。
同时，手性与生命现象密切相关，也显著影响物质性能。手性分子精准合成能为医药、农药、信息和材料领域的发展提供核心技术支持。不对称催化是制备手性分子的高效途径，这一领域相关研究在过去半个世纪里已取得巨大进展。然而，在激发态进行的光化学反应的手性控制仍是一个巨大挑战。
针对上述问题，钟芳锐、吴钰周团队的研究，为激发态光反应的手性催化合成提供一种原创性方案。团队基于有机合成、基因工程、蛋白质工程、酶理论计算和结构生物学等交叉学科背景，将合成化学发展的二苯甲酮类优异光敏剂通过基因密码子拓展技术定点插入到选定蛋白的手性空腔中，构建含非天然催化活性中心的人工光酶TPe。
从化学改造构建的第一代三重态光酶TPe1.0，研究团队通过四轮突变迭代优化酶的氨基酸残基和反应空腔结构，建立突变体文库，完成光酶的定向进化，最终获得优异的突变体TPe4.0。
陈希团队通过X-射线解析光酶与底物配合物的单晶结构，阐明了反应优异的手性选择性来源于光敏剂和周边关键氨基酸残基与底物之间形成的氢键等多重弱键协同作用。
这项研究表明，通过将三重态能量转移的光催化机制与蛋白质的精细超分子腔相结合，人工三重态光酶集成了化学光催化剂的高效反应性和生物催化剂的精准选择性两者的优势，为有机分子激发态反应的手性选择性调控提供有效手段，也从根本上拓展酶催化的反应性。
研究团队表示，随着计算辅助的人工酶理性设计能力不断提升和基因密码子拓展技术进一步发展，更多结构和性质独特的化学光敏剂将被引入蛋白创造新的非天然光酶，丰富光驱动生物催化的功能和应用范围。
据悉，吴钰周、钟芳锐和陈希为上述论文共同通讯作者，华科大化学与化工学院博士生孙宁宁和黄建建为该文章共同第一作者，华中科技大学为该论文第一作者单位。
（华中科技大学供图）
