人工光酶理性设计及生物光催化基础研究

主要完成人：吴钰周、钟芳锐、吴国骄、廖荣臻

在“双碳”国家战略背景下，传统化工产业亟待变革升级。发展颠覆性绿色生物制造关键技术以取代高污染高能耗的化学合成具有紧迫性和必要性。酶是自然界漫长演化形成的高效生物催化剂，但往往仅适用于专一的底物和天然的生命化学反应，难以满足社会生产对多样性功能化学品的合成需求。近年来，随着合成生物学理论与技术的发展，通过在蛋白中人为设计和引入非天然活性中心，能够构建人工酶并极大地拓展酶的催化反应性，从而实现重要有机化学品的生物催化合成。虽然自然进化形成的生物酶数量和种类繁多，功能多样，但绝大多数都是基于热化学驱动活化机制。能受光驱动的天然光酶十分稀缺，目前已经发现的光酶仅有光合作用相关的原叶绿素酸酯还原酶、修复DNA损伤的光裂合酶、脂肪酸脱羧酶等少数几种。光化学反应通过光能量输入使不可能的反应成为可能，打破了传统热化学的极限，是当前合成化学发展的前沿。光化学合成近十几年来发展迅猛，开发了光致单电子转移、质子耦合电子、能量转移等多种光活化模式，使合成反应条件更加温和、绿色、安全。但同时，立体选择性控制一直以来都是光化学合成中的难点问题，也是亟待有新突破的重点方向。在此背景下，化学与化工学院吴钰周和钟芳锐团队结合有机合成化学和现代合成生物学等学科的前沿理论和技术，融合光化学反应和生物催化，开发新型人工光酶，能够实现高手性选择性的光生物催化合成高附加值手性化合物，为重要生物医药产业分子的绿色生物合成提供理论和技术支撑，也为人工光合成生物系统的构建提供了重要的人工酶元件。

团队将合成化学发展的二苯甲酮类优异光敏剂通过基因密码子拓展技术定点插入到选定蛋白的手性空腔中，结合定向进化优化人工酶的催化活性和手性选择性，实现了人工光酶催化不对称[2+2]光环加成、光生物催化交叉偶联、酶促光脱卤氘化等重要化学反应，突破了天然酶自然进化产生的结构和功能的局限性，为氘代药物、高张力多环吲哚啉等重要功能分子的合成提供了全新的绿色生物合成方法。利用基因密码子拓展技术开发了含化学光催化剂的人工光敏脱卤酶（RPDase），实现了首例人工光酶催化的脱卤还原反应，将廉价易得的芳卤类化学原料一步转化为高附加值的氘代芳烃，并且能通过基因重组的大肠杆菌进行全细胞光生物催化，具有条件温和、选择性高、底物普适性广等优点。与金属辅因子依赖性的天然脱卤酶不同，RPDase 通过完全非天然的光致电子转移催化机制进行，能利用外源性甲酸钠为终端还原剂，从而避免了天然脱卤酶对还原性辅酶 NADPH 的依赖。以氘代甲酸钠为还原剂，还能用于一系列生物活性分子氘代衍生物的制备，为氘代药物合成提供了一种高效、高选择性的生物催化新方法。RPDase 在活细胞条件中能同时利用内源的NADPH 和外源的甲酸钠实现芳香卤化物的脱卤氢化，有望成为廉价易得的化学原料高值化转化的细胞工厂。

图1人工光酶构建非天然化学品合成的光合细胞工厂示意图

利用上述策略，团队进一步实现了能量转移光催化反应的手性控制，构建了首个“三重态光酶”，实现了一种酶催化的新模式。该三重态光酶集成了化学光催化剂的高效反应性和生物催化剂的精准选择性两者的优势，能高效催化吲哚衍生物的分子内[2+2]光环加成反应，具有良好的底物普适性和优异的手性选择性(可以获得大于 99%的单一手性异构体)，解决了此类化合物手性选择性合成的挑战。反应所得的含张力环丁烷多环吲哚啉具有与天然多环吲哚啉家族不一样的独特分子结构，在生物碱类药物开发中具有重要的应用前景。

图2人工三重态光酶高手性选择性光催化示意图

相关研究成果以华中科技大学为第一单位发表在 Nature 和 Chem 上，为人工光合成制备高附加值化学品提供范式创新技术，是人工光酶领域的里程碑进展，得到了科技部、《光明日报》、《科技日报》、《中国科学报》的重点报道。International Biocat Award 得主格罗宁根大学的 schmidt 教授、国际知名生物化学家康奈尔大学 Hyster 教授在《化学综述》等权威顶级期刊上的高度评价，认为人工光酶“开创了生物催化的一种全新模式”。高手性选择性人工光酶的成功构建，也为有机化学中手性分子的不对称合成领域提供了一种全新的策略，对化学与生物的融合发展具有积极的推动作用。此外，该人工光酶能够在生物体中直接表达，也为光合生物系统构建提供了重要的非天然功能元件。《中国科学报》认为，含非天然光催化剂的“光合细胞”有望成为廉价易得的化学原料高值化转化的“细胞工厂”。因此，该研究也为利用合成生物学技术构建人工光合细胞奠定了重要基础，有望发展成为高效实用的全新生物化工技术用于重要生物医药产业分子的绿色生物合成。