普林斯顿“黑科技”颠覆酶催化理论

普林斯顿的化学家从天然酶类中学到了一种新技术，该技术对包括药物生产在内的现代化学具有重要意义。《Nature Chemistry》报道了这项研究。

　　

“我们发现了一种让酶进行非自然反应的全新技术，”化学助理教授Todd Hyster说。“传统观点认为酶只会做一件事，而我们的论文表明实际上也有例外。更重要的是，本文所描述的策略可延伸至其他酶家族，创建全新的酶促反应。我们认为，这将彻底改变我们构筑化学分子的方式。”

酶是天然催化剂，它们所参与的生化反应足以维持活生生的生命。有机化学家利用天然酶类的历史可以追溯到至少100年前。但是，酶的应用还很有限，因为通常单个酶只能催化单一反应。

现在，普林斯顿的Hyster实验室通过增加新成分改变了酶的天然属性，成功地使它可以催化完全不同的化学反应类型，而且表现出奇的好。

简化酶催化反应

“我认为，我们对酶催化理论的改造确实有效，”Hyster说。“在学生时代，我们被教导酶是相当复杂和特殊的一类催化剂。……我们激动而兴奋地发现，酶有潜力做一些大自然从未想过的全新事情。”

研究人员在酶中加入少量光激发染料，用绿光淹没它。“这是两种不相关的化学分支的混搭操作，”文章共同一作、Hyster实验室的博后研究员Kyle Biegasiewicz说。“这是酶催化（生物催化）和光氧催化之间令人难以置信的一次联姻。”

对化学家来说，获得更多的目标反应和较少的非目标反应被称为“选择性”。相比大多数小分子催化剂，酶明显更具选择性。“这种新技术允许科学家定制自己想要的反应，但比过去难以控制的一类反应具有更高的选择性，”Hyster说。

本质上，这项突破是一个“即插即用”的方法，利用酶开启全新催化反应，它将拥有广阔的使用范围。“尽管我们不能透露研究团队正在进行的项目的任何细节，但我想说，系统合成领域请保持关注，因为它真的很酷！”

可见光光催化（visible light photocatalysis）正在改变现代化学。

“光的利用是催化领域的一项革命，”他说。“普林斯顿确实是这方面的驱动力，化学大师[David] MacMillan、[Abigail] Doyle和[Robert] Knowles使用小分子催化剂和光做出了非常不可思议的成果。如今，我们已经证明，光的利用不限于小分子催化剂，它还可以扩大至生物酶。”

这一研究的思路来自之前的一系列研究，Hyster实验室的研究生、文章一作Simon Cooper说。其他科学家证明，暴露在紫外光下，NADPH等一大批分子会发生显著变化，这启发我们将光敏染料加入酶内。

“暴露紫外光后，NADPH原先转移2个电子和1个质子的单一步骤被分解成了先转移一个电子，再转移一个氢原子（1个电子和1个质子），”Cooper说。“我们想，我们是否能利用这个新途径做些别的事情？……论文最重要的发现是控制氢原子的转移，以生产两种镜像分子之中的一种形式。传统上，涉及氢原子转移的两种镜像的定向选择几乎难以实现，我们的方法是该挑战行之有效的解决方案。”

“随着社会发展、不断增长的人口数量，如果我们还想维持发达国家认为的理所当然的舒适，我们需要更具成本效益和可持续的化学催化形式。药物、农用化学品、香水等等，我们开创的新途径也许能对人们的生活做出有意义的贡献。”

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原文检索：Catalytic promiscuity enabled by photoredox catalysis in nicotinamide-dependent oxidoreductases

（生物通：伍松）