近日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王江云課題組與華中科技大學(xué)鐘芳銳課題組合作，在Cell Chem上發(fā)表了題為Whole-cell-catalyzed hydrogenation/deuteration of aryl halides with a genetically repurposed photodehalogenase的研究文章。該研究報(bào)道了一種編碼在黃色熒光蛋白中的二苯甲酮光催化劑，稱為還原性光鹵化酶（RPDase），可以有效地介導(dǎo)芳基鹵化物的生物催化加氫脫鹵和氘化脫鹵。與為特定底物的生物修復(fù)而進(jìn)化的天然金屬輔因子依賴性脫鹵酶不同，這種不含金屬的光酶通過(guò)完全非天然的催化機(jī)制與甲酸鹽結(jié)合，并表現(xiàn)出顯著的底物通用性?；赗PDase和遺傳密碼子擴(kuò)展方法，該研究首次證明了使用表達(dá)RPDas的重組大腸桿菌細(xì)胞可以進(jìn)行全細(xì)胞光生物催化，進(jìn)而有價(jià)值的化學(xué)品生產(chǎn)有望實(shí)現(xiàn)生物代謝。

自然進(jìn)化在較大程度上由環(huán)境壓力驅(qū)動(dòng)和塑造，因此產(chǎn)生了各種在分子水平上具有結(jié)構(gòu)和功能多樣性的酶。例如，鹵代芳烴通常是有毒、危險(xiǎn)的，通常也是人為來(lái)源的持久性有機(jī)鹵化物，可以被有機(jī)鹵化物呼吸細(xì)菌有效降解。編碼脫鹵酶的基因已被鑒定，大自然根據(jù)不同底物的類型創(chuàng)造了不同的脫鹵酶，包括脂肪族有機(jī)鹵化物的水解脫鹵酶，攜帶鈷酰胺輔因子（維生素B12），將電子從犧牲還原劑（如NADPH）穿梭到芳基或烯基鹵化物底物還原性脫鹵酶等，基于它們的天然來(lái)源，這些酶通常對(duì)特定的底物有效。NprdhA是一種從巨大芽孢桿菌中獲得的還原性脫鹵酶，對(duì)含有2,6-二鹵酚部分的底物表現(xiàn)出明顯的偏好。有研究推測(cè)，B12輔因子會(huì)攻擊底物的鹵素原子，導(dǎo)致碳鹵素鍵斷裂，并伴隨離去基團(tuán)的質(zhì)子化。

盡管天然脫鹵酶的催化機(jī)制多種多樣，有機(jī)鹵化物底物的多樣性仍在不斷增加，但它們的脫鹵效率基本上受到天然輔因子和天然氨基酸種類有限的限制。已測(cè)量到典型芳基鹵化物的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢(shì)為-0.99 V和-2.59 V之間，而用于降解四氯乙烯的天然鈷酰胺依賴性還原脫鹵酶中Co（II）/Co（I）對(duì)的氧化還原電位為~-0.38 V，結(jié)合它們的底物特異性使得較難處理對(duì)還原高活性的各種芳基鹵化物。將合成輔因子引入天然蛋白質(zhì)將賦予酶新的化學(xué)反應(yīng)活性，可以補(bǔ)充自然界進(jìn)化的酶。設(shè)計(jì)人工脫鹵酶，可以利用非天然催化劑的反應(yīng)性來(lái)進(jìn)行合成化學(xué)中發(fā)展的脫鹵反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高價(jià)值的化學(xué)合成。

王江云課題組基于基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的非天然氨基酸在蛋白質(zhì)中的編碼。前期研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)可以將二苯甲酮非天然氨基酸插入熒光蛋白，從而改造發(fā)色團(tuán)光驅(qū)動(dòng)生成具有高還原活性的物種，用于驅(qū)動(dòng)二氧化碳光還原、芳香化合物脫鹵羥化、功能鐵硫簇蛋白的還原等。這些工作發(fā)展的光敏蛋白質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的光化學(xué)性質(zhì)。

本研究發(fā)現(xiàn)在編碼二苯甲酮非天然氨基酸的光敏蛋白質(zhì)可以有效催化各種芳基鹵化物的還原脫鹵?；诠饷舻鞍踪|(zhì)發(fā)展的還原性光鹵化酶（RPDase）通過(guò)一種非天然的機(jī)制運(yùn)作，甲酸鈉作為犧牲還原劑，光化學(xué)產(chǎn)生強(qiáng)還原性的含二苯甲酮發(fā)色團(tuán)陰離子自由基。這與B12依賴性天然脫鹵酶與NADPH偶聯(lián)完全不同。RPDase可容納多種芳基碘化物、芳基溴化物和芳基氯化物。此外，它適用于氘化藥物分子的制備和形成C-C鍵的自由基加成反應(yīng)，且它在大腸桿菌（E.coli）細(xì)胞中作為全細(xì)胞生物催化劑也表現(xiàn)良好。研究表明，使用遺傳密碼擴(kuò)展技術(shù)將合成光氧化還原催化與天然蛋白質(zhì)相結(jié)合，可以創(chuàng)造出有趣的人工光合機(jī)制，從根本上擴(kuò)展生物催化的范圍?；谏镎缓涂沙掷m(xù)的光合作用，有望實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的非天然化學(xué)制造，設(shè)計(jì)微生物細(xì)胞工廠。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院以及生物物理所蛋白質(zhì)科研平臺(tái)的支持。

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生物催化還原脫鹵酶催化