De Novo设计、定向进化及计算研究：用于生物催化对映选择性Ge–H插入反应的血红素结合螺旋束蛋白催化剂

《Journal of the American Chemical Society》：De Novo Design, Directed Evolution and Computational Study of Heme-Binding Helical Bundle Protein Catalysts for Biocatalytic Enantioselective Ge–H Insertion

通过de novo设计和定向进化获得催化Ge–H插入的新型酶，首次实现生物催化中的Ge–H键形成，具有高立体选择性和广谱底物适应性。结构优化增强活性位点预组织化及过渡态互补性。

　　

从头设计的蛋白质为开发生物化学中不存在的立体选择性转化提供了一个可塑的平台。在这里，我们报道了通过Ge–H插入实现手性选择性烷基化的螺旋束蛋白催化剂的从头设计和定向进化，这种转化此前尚未通过酶催化实现。比较计算分析表明，与Si–H插入相比，Ge–H插入反应通过一个更早且更灵活的过渡态进行，这给立体控制带来了独特的挑战。以一个完全从头设计的四螺旋束支架为起点，定向进化产生了一个四重突变体，该突变体能够高效、高选择性地催化Ge–H插入，并具有广泛的底物范围。分子动力学模拟显示，定向进化引入的有益突变增强了活性位点的预组织结构，并调节了局部骨架的灵活性，从而提高了过渡态的互补性，同时通过精细调整的结合口袋大小和由氢键相互作用调控的更稳定的辅因子定位。这些发现展示了从头蛋白质在实现生物催化剂尚未知晓的立体选择性转化方面的巨大潜力，并强调了通过定向进化对从头蛋白质支架的活性位点进行重塑在实现涉及灵活过渡态的选择性催化中的重要性。