中美华人课题组合作发表《Nature》，揭示了新的光酶反应

　　

如何以环保的方式生产高价值化合物？答案是重新调整酶的用途，好奇心，再加上一点点光。

发表在《Nature》杂志上的一篇论文描述了由伊利诺伊大学香槟分校化学与生物分子工程系（ChBE）和Carl R. Woese基因组生物学研究所（IGB）以及厦门大学化学化工学院领导的一项研究。

第一作者是在ChBE教授Huimin Zhao实验室工作的中国博士后学者Xiaoqiang Huang，其他作者包括厦门大学化学化工学院的王斌举（Bingju Wang）教授和Jianqiang Feng，以及伊利诺伊大学香槟分校ChBE的Yajie Wang和Guangde Jian。

本文第一作者Xiaoqiang Huang

伊利诺伊大学香槟分校Huimin Zhao教授

催化剂是用来加速化学反应的物质；在活的生物体中，被称为酶的蛋白质分子在被称为生物催化的过程中催化反应。

生物催化作为一种精细、灵活的合成有价值化合物的方法正在迅速兴起。很多科学家正在研究酶催化多种反应的能力，理由很充分：生物催化反应具有高度的选择性，这意味着科学家可以利用酶作用于特定的底物产生目标产物。

酶促反应也具有高度的可持续性，因为它们相对便宜，能耗低，对环境的破坏最小：化学催化剂通常需要有机溶剂、热量和高压才能发挥作用，但生物催化剂在水溶液，室温和常压条件下就能工作。

尽管酶对科学和可持续发展具有重要价值，但它的作用可能很复杂。酶能催化的反应仅限于自然界中存在的反应；这意味着科学家们常常难以找到完美的生物催化剂来满足他们的需要。

用化学反应的语言来说：科学家如何利用自然界中已经存在的酶来创造他们所需要的产品？

合作研究小组开发了一种解决方案：利用酶家族的烯还原酶（ene-reductase ，ER）作为生物催化剂的一个可见光诱导反应，能高产地获得有价值的手性羰基化合物。手性羰基化合物在制药工业中有潜在的应用，可用于药物生产。

“我们的解决方案可能被认为是一种‘再利用’。我们利用自然界中已知的酶，再利用它们进行新的反应，”Zhao教授说。

换句话说，研究人员不需要在调色板上添加一种新的颜料——他们发现了一种巧妙的方法来调和已经存在的颜料。

这些“再利用”的酶反应不仅经济、环保，而且非常理想。该团队的解决方案特别独特，它将生物催化与光催化（其中光被用作活化能的可再生来源）结合在一种新颖的光酶反应中。

在研究过程中，研究人员测试了多种底物，记录了ER酶对每种底物的反应。这一过程相当于烘焙一种化学巧克力曲奇：通过保持光照水平不变和调整“成分”（即ERs和底物），研究小组能够逐渐接近实际到所需的反应。

运用化学洞察力和巧妙的设计来合成增值产品是Zhao课题组的研究目标之一。

“创造新的酶功能是我们面临的主要科学挑战之一，”Zhao教授说。“这项研究通过发现酶的新用途并展示它们的能力来应对这一挑战。”

在这项研究中使用的底物（一种称为烯烃的碳氢化合物）也是研究植物生物质应用的结果。原则上，从芒、高粱和甘蔗等作物中提取的脂肪酸可以转化为烯烃，然后用来代替石油基底物，生产有价值的化合物。

通过将生物催化和光催化相结合，并对各种反应性“成分”进行实验，本研究扩展了ER酶的功能，最终合成了高价值、高含量的化合物。

光和酶的结合仅仅是一个开始。

Huang说：“我们绝不局限于制造手性羰基化合物。希望这项研究能启发科学家们将几种酶结合起来，探索新的反应性选择。”

在未来，研究人员可以在这项研究的基础上创建一个更加多样化的产品组合——并进一步扩大酶的经济和环境效益。

原文检索：Photoenzymatic enantioselective intermolecular radical hydroalkylation

（生物通：伍松）