动态电荷分布作为人工金属酶催化反应活性的关键驱动力

《Chemical Science》：Dynamic Charge Distribution as a Key Driver of Catalytic Reactivity in an Artificial MetalloenzymeOpen Access

　　

微型人工金属酶为提取设计原则提供了一个简化的平台，以便工程化开发超越天然酶性能的催化剂。其中，小色酶（mimochromes，MCs）作为模拟过氧化物酶活性的优秀候选者脱颖而出，其结构框架由嵌入在两个螺旋肽之间的血红素中心组成。然而，MCs的设计优化主要集中于结构性质，而对电子环境的影响尚缺乏深入探索。为了研究电子环境如何影响反应活性，我们对一系列具有已知反应活性差异的小色酶MC6、MC6*和MC6*a进行了经典分子动力学（MD）模拟和从头算分子动力学（MD）模拟。为了揭示电子结构中的规律，我们训练了有监督机器学习（ML）模型并进行了统计分析。从头算分子动力学模拟揭示了Arg10'和Glu2'之间关键的电荷耦合相互作用，这些相互作用在经典动力学模拟中并未被识别。这些残基被确定为在活性位点中定向Arg10'所必需的。此外，使用仅基于部分电荷动力学训练的机器学习分类器来区分小色酶，我们识别出了Arg10'、Lys11、Glu2'和Ser6'等关键残基，这些残基用于区分小色酶类似物。我们合成并表征了一种新的小色酶类似物MC6*a-LysBoc，其中计算识别出的Glu2'···Lys11盐桥被破坏，实验结果支持了这一预测，使得总周转数降低了七倍。量子力学计算表明，Arg10'稳定了过氧化氢形成活性氧物种的过渡态。这些结果表明，部分电荷分布动力学在小色酶的反应活性序列中具有重要作用，这应有助于指导新一代金属酶的工程化开发。

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? 2026 作者所有。由皇家化学学会出版

2026

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