保持催化剂分离：相分离实现金属-酶辅因子再生级联

《Catalysis Today》：Keeping Catalysts Apart: Phase Separation Enables Metal–Enzyme Cofactor Regeneration cascade

　　

摘要

在同一个反应瓶中整合有机金属催化与酶催化常常受到金属配合物与酶之间相互抑制的限制，尤其是在需要高效辅因子再生的NAD(P)?依赖性氧化还原级联反应中。本文报道了一类IrCp*吡啶鎓-酰胺酸盐（PYA）配合物，它们能够在水相中再生NAD(P)H。通过对吡啶鎓基团和酚氧基取代基的系统调谐，确定了含有乙酰胺取代基的Ir4为活性最高的催化剂（周转频率TOF = 5.6 h^-1），该催化剂能同时还原NAD?和NADP?，因此与两种辅因子均兼容。该催化剂与烯还原酶mcOYE和酮还原酶cgKR1成功配伍。虽然mcOYE本身具有良好的兼容性，并在简单的均相条件下支持了高效的级联反应，但cgKR1在水缓冲液中与铱催化剂发生了共聚集。然而，改用Ir2并采用简单的两相体系后，基本克服了相互抑制，将再生TOF提高了三倍（至17.6 h^-1），并恢复了级联反应活性。对六种氧化还原酶进行的计算表面分析表明，这种抑制作用与任何单一表面描述符均无相关性。本研究确立了一种低操作难度的策略，即当金属催化剂与酶在水中的相互抑制强于它们对液-液界面的敏感性时，可通过相分离来实现两者的结合。

引言

将有机金属催化与生物催化相结合，可以兼取过渡金属配合物广泛且可调的化学反应活性与酶的高选择性。这些混合系统的一个诱人目标是NAD(P)H依赖性氧化还原酶，它们是不对称合成的有力工具，但工业应用受到昂贵的烟酰胺辅因子的依赖以及由此而来的高效再生系统需求的制约。甲酸盐或葡萄糖脱氢酶常与主氧化还原酶联用以进行辅因子再生，但昂贵的烟酰胺辅因子仍是一个主要限制因素。[1], [2]

有机金属NAD?再生自20世纪70年代以来一直受到关注，[1], [2], [3], [4], [5]其中铑、[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]钌、[13], [14]和铱[15], [16], [17]配合物已被确立为以甲酸盐、H₂或电化学驱动的NAD?及其类似物还原催化剂。最近，Macchioni课题组报道了以周转频率（TOF）与酶催化剂相当的铱配合物来还原NAD?（图1a）。[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]尽管取得了这些进展，但由于两个系统之间的相互抑制，酶与金属催化剂的结合仍然具有挑战性：亲核性氨基酸残基的配位倾向于毒化金属中心，而金属配合物往往会 destabilize 酶并充当蛋白质变性剂。[26]

我们最近制备了一种带有吡啶鎓酰胺酸盐（PYA）配体的铱配合物，该配合物能够在吡啶鎓基团上以类似NADH型辅因子的方式储存氢化物（图1b）。[27]此外，该配合物能够在DMSO中还原NAD?。鉴于配体中心氢化物的高稳定性和金属中心的鲁棒性——后者与广泛的亲核试剂均不发生配位——该系统有可能适用于一锅法化学酶催化转化。本文证明，通过调控Ir(PYA)催化剂中的配体，可实现水相中高效的NADH再生。我们进一步公开了两种将该有机金属NADH再生催化剂与NADH依赖性酶结合的策略，从而提供了一锅法中包含有机金属催化和生物催化的级联氢化物转移过程（图1c）。

章节摘录

配合物对NAD⁺再生的活性

在生物相容条件下评估了含有多样取代基因而具有不同生物物理性质（包括溶解度、极性、质子性和介电常数）的铱配合物Ir1–Ir7 [27], [28]的催化NAD?还原活性，即催化剂负载量为10 mol%，底物浓度为10 mM，以甲酸钠（20 当量）作为氢化物源，在D₂O中以磷酸缓冲液pD 7条件下进行（方案1）。尽管引入了亲水取代基，但没有任何一种

结论

我们证明了一种简单的两相格式可以基本克服分子过渡金属催化剂与酶之间的相互不兼容性——这是将这两个系统在一个反应瓶中结合起来的长期障碍。使用定制的Ir(PYA)配合物作为生物相容的NAD(P)⁺再生催化剂，我们发现与特定酶的兼容性并非固定属性：烯还原酶mcOYE直接在水中即可支持高效的级联反应，而酮还原酶cgKR1则使铱

数据可用性

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利益冲突

无利益冲突需要声明。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

计算在UBELIX（https://www.id.unibe.ch/hpc）上完成，即伯尔尼大学的HPC集群。我们感谢瑞士国家科学基金会（SNSF拨款200020_212863和200021_232199）对我们工作的慷慨资助，以及Johnson Matthey提供的铱金属借用。分子图形和分析使用UCSF ChimeraX完成，该软件由加州大学旧金山分校生物计算、可视化与信息学资源开发，并获得国家

Laura Monte|Robin Keller|Francesca Paradisi|Martin Albrecht