【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心、安徽省高場(chǎng)磁共振成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田長(zhǎng)麟團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合南京大學(xué)黃小強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與梁勇團(tuán)隊(duì)，在光酶催化研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。針對(duì)合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的焦磷酸硫胺素(ThDP)依賴酶和光催化協(xié)同的雙催化新體系，田長(zhǎng)麟團(tuán)隊(duì)依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)，鑒定了催化反應(yīng)中的自由基中間體及電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。12月18日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然》(Nature)上。
生物制造是變革工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的綠色技術(shù)之一。然而，生物制造的“芯片”——酶，面臨催化機(jī)制理解相對(duì)有限等問(wèn)題。
酶催化與光催化結(jié)合的光酶催化，融合了可見(jiàn)光化學(xué)多樣的反應(yīng)性和酶的高選擇性，成為開(kāi)發(fā)新酶功能最前沿的策略。該團(tuán)隊(duì)綜合利用仿生和化學(xué)模擬的思路(圖1)，借助可見(jiàn)光激發(fā)和定向進(jìn)化手段，改造焦磷酸硫胺素(ThDP)依賴酶，從而將ThDP依賴的苯甲醛裂解酶“重塑”為自由基酰基轉(zhuǎn)移酶(RAT)，實(shí)現(xiàn)了一例非天然的高對(duì)映選擇性的自由基-自由基偶聯(lián)反應(yīng)。
針對(duì)這一光酶雙催化體系，該團(tuán)隊(duì)綜合應(yīng)用低溫電子順磁共振技術(shù)和理論化學(xué)計(jì)算等方式，對(duì)機(jī)理開(kāi)展了研究。其中，研究通過(guò)低溫(80K)下的電子順磁共振實(shí)驗(yàn)，捕獲到由ThDP所衍生的ketyl自由基(Int. B)。同時(shí)，控制實(shí)驗(yàn)表明，PfBAL酶、光敏劑Eosin Y、底物1a、光照均是產(chǎn)生該自由基中間體必不可少的關(guān)鍵因素。此外，研究通過(guò)EPR自旋捕獲(spin trapping)實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)體系中檢測(cè)到特征的六重裂分譜圖，證實(shí)其為中間體benzylic radical(Int. C)與捕獲劑加成后的自由基產(chǎn)物(圖2)。電子順磁共振實(shí)驗(yàn)為證實(shí)該催化循環(huán)中兩種關(guān)鍵的自由基中間體(Int. B和Int. C)的存在提供了關(guān)鍵的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示了新酶反應(yīng)性的關(guān)鍵以及高立體化學(xué)選擇性的來(lái)源。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。
圖1. 融合化學(xué)與生物，開(kāi)發(fā)新生物合成體系
圖2. 機(jī)理推測(cè)與基于EPR方法的機(jī)理探究
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