通过氧气活化实现不对称酶促氢磷酸化

《SCIENCE》：Asymmetric enzymatic hydrophosphorylation through O2 activation

　　

编辑摘要

碳-磷键在自然界中极为罕见，但含膦酸酯的小分子在医药、农业等领域却极为有用。不幸的是，少数能够合成含碳-磷键分子的自然酶并不适用于生物工业过程。因此，Zhou等人开发了一种独特的基于自由基化学的生物催化方法，该方法利用黄素酶激活分子氧以生成超氧阴离子或羟基自由基中间体，进而氧化亚磷酸酯前体。在向烯烃加成后，酶引导氢原子转移以生成手性产物。作者通过计算研究支持了其机理假设，并通过定向进化优化酶，生成了多种潜在有用的膦酸酯产物。——Michael A. Funk

结构化摘要

引言

碳-磷（C–P）化合物在医药、农业和先进材料中被广泛应用。然而，自然界中通过酶促方式形成C–P键的情况极为罕见。化学方法可以通过以磷为中心的自由基来构建这些键，但通常需要强氧化剂或特殊活化的起始原料，且选择性有限。酶可以通过精确引导高活性自由基中间体来克服这些限制。因此，一种直接将常见磷化合物引入烯烃的生物催化方法将提供一条温和且具有高选择性的路线，以合成高附加值的结构多样化产物。

设计思路

分子氧（O₂）是一种极具吸引力且来源丰富的氧化剂，但其部分还原会产生活性氧物种（ROS），这些物种通常会对酶造成损伤并干扰自由基反应。黄素依赖性酶在封闭的活性位点内天然地调控O₂的激活，这表明这些活性物种可能被重新引导以产生新的反应性。我们认为，经过改造的黄素酶可以利用ROS从磷-氢（P–H）供体生成以磷为中心的自由基，并通过酶促氢原子转移来控制产物的对映选择性。通过结合反应条件优化、定向进化和机理研究，我们旨在建立一条温和的生物催化路线，以合成多种手性有机磷化合物，从而拓展酶促O₂激活的新反应性。

结果

通过半理性和机器学习引导的定向进化，我们开发了黄素依赖性酶OYE1的变体，使其能够在光照和黑暗条件下通过O₂激活催化不对称酶促膦酰化反应。实验和计算研究揭示了原位产生的ROS所起的作用。提出了三条途径，在活性位点内或大量溶液环境中从P–H供体提供以磷为中心的自由基。计算结果进一步揭示了酶促氢原子转移如何控制对映选择性，以及突变如何影响该过程。进化得到的前三优酶在广泛的烯烃和P–H底物中均表现出优异的活性和立体选择性，包括亚磷酸酯、亚磷酸和膦酸氢酯。通过这一单步生物催化转化，可以合成具有附加值的高水平有机磷化合物，例如广谱除草剂草铵膦铵。

结论

本项目建立了一种在温和条件下从易得的烯烃和P–H化合物合成C–P化合物的生物催化策略。通过改造黄素依赖性酶，我们将ROS从破坏性的副反应重新引导至高效的以磷为中心的自由基生成过程，并利用酶促氢原子转移来控制立体化学。所得体系能够合成对映选择性高的结构多样化的手性有机磷化合物。更广泛地说，这项工作表明ROS可以被利用而非仅仅被抑制，以引发酶促自由基反应并拓展生物催化的合成能力。

在查看器中打开

活性氧物种（ROS）促进的不对称酶促膦酰化。

改造后的黄素依赖性酶利用分子O₂生成高活性自由基中间体，以高对映选择性形成C–P键。

摘要

酶促碳-磷键的形成在自然界中极为罕见，这限制了通过生物催化手段获取广泛应用于制药和农用化学品中的含磷化合物。在此，我们报道了一种通过重定位黄素依赖性酶利用氧激活实现的不对称酶促膦酰化反应。机理研究表明，活性氧物种被转化为有效的以磷为中心的自由基，随后进行自由基加成和酶促氢原子转移，从而实现了高对映选择性。该酶能够兼容多种对化学催化构成挑战的磷-氢供体，实现了有价值含磷骨架的生物合成。这项工作将生物催化的应用范围拓展至可编程的碳-磷键形成，并建立了在酶中调控氧反应性的范式。