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酶催化Baeyer−Villiger反应区域选择性的调控机制

邃瞳科学云

2022-03-28

导读：该研究解析了Baeyer-Villiger单加氧酶区域选择性的控制机制，为该类酶区域选择性的定向改造奠定了基础。

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第一作者：董义杰博士、李唐博士、张士清博士

通讯作者：盛翔研究员（中国科学院天津工业生物技术研究所）、李广悦研究员（中国农业科学院植保所）、Manfred. T. Reetz 教授（德国马普煤炭所）

论文DOI：10.1021/acscatal.2c00415

全文速览

本文通过构建Baeyer-Villiger单加氧酶的完整突变路径图，结合晶体结构分析，并进一步借助量子化学计算方法精确解析了选择性翻转的结构因素。研究发现残基突变会影响反应中的Criegee手性中间体的对映选择性偏好性，进而影响反应产物的区域选择性。这是首次系统性研究酶催化反应中手性中间体对产物选择性的影响，研究结果对同样存在手性过渡态和中间体的酶（如酯酶、蛋白酶和转氨酶等）的研究具有重要的借鉴和指导意义。

背景介绍

Baeyer-Villiger单加氧酶广泛存在于生物体中，主要参与生物体内中间代谢产物的合成与降解过程，如生物体内的甾体激素的降解过程以及一些天然产物的合成过程等。目前，该类酶已被广泛应用于高附加值精细化学品的生物催化合成以及新型天然产物的合成生物学研究当中。鉴于Baeyer-Villiger单加氧酶的重要应用价值，对其进行定向进化获得性质优良的突变体广受关注，并取得了一些突破性进展。然而，在Baeyer-Villiger单加氧酶的研究当中仍然存在一个关键问题仍未阐明：如何精准控制Baeyer-Villiger单加氧酶对酮底物的区域选择性，并实现选择性翻转？前期研究中，该团队通过定向进化的方法成功翻转了Baeyer-Villiger单加氧酶TmCHMO对链式酮底物的区域选择性，并初步解析了选择性翻转的机制（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10464-10472），但是其关键的决定机制并不清晰。

本文亮点

1. 精确解析了Baeyer-Villiger单加氧酶选择性的翻转机制；

2. 首次系统探讨了残基突变对反应中的Criegee手性中间体的对映选择性偏好性的影响，及其对反应产物区域选择性的影响。

图文解析

本论文深入研究了Baeyer-Villiger单加氧酶TmCHMO对链式酮底物4-苯基-2-丁酮的区域选择性的控制机制，发现过渡态Criegee中间体在不同进化阶段会形成不同的立体构型，从而影响最终产物的区域选择性^[1,2,3]。作者首先构建了最优突变体LGY3-D-E1中4个点突变的所有突变组合，并测定了这些突变体催化4-苯基-2-丁酮单加氧反应的区域选择性。基于上述数据构建了从野生型TmCHMO到突变体LGY3-D-E1的24条进化路径图。

作者进一步系统分析了不同突变位点之间的协同和拮抗作用，并从中选取了一条进化上有利的路径进行研究。作者对该路径中的突变体进行了晶体结构研究，并成功解析了单突变L437T的晶体结构。

在此基础上，采用量子化学计算的方法^[4,5]对最优进化路径中的野生酶及四个突变酶的反应路径和选择性进行了计算模拟，通过对生成不同产物对应的过渡态结构进行分析，精确解析了进化路径中区域选择性的翻转机制。研究发现定向进化路径中的不同突变会影响Criegee过渡态中间体的立体构型，进而影响反应的区域选择性。

总结与展望

该研究解析了Baeyer-Villiger单加氧酶区域选择性的控制机制，为该类酶区域选择性的定向改造奠定了基础。尤为值得一提的是，本研究发现了不同突变的引入可通过影响Criegee过渡态中间体的立体构型，从而影响反应的区域选择性，这对同样存在手性过渡态中间体的酶，如酯酶、蛋白酶和转氨酶等的研究具有重要的借鉴和指导意义。

参考文献

1. Li, G.; Garcia-Borràs, M.; Fürst, M. J. L. J.; Ilie,A.; Fraaije, M. W.; Houk, K. N.; Reetz, M. T. OverridingTraditional Electronic Effects in Biocatalytic Baeyer–Villiger Reactions by Directed Evolution. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10464– 10472.

2. Vil’, V. A.; Dos Passos, G.G.; Bityukov, O. V.; Lyssenko, K. A.; Nikishin,G. I.; Alabugin, I. V.; Terent’ev, A. O. Interrupted Baeyer–Villiger Rearrangement: Building A Stereoelectronic Trap for the Criegee Intermediate. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 3372– 3376

3. Reetz, M.T.; Garcia-Borràs, M. The Unexplored Importance of Fleeting Chiral Intermediates in Enzyme-Catalyzed Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 14939– 14950.

4. Himo, F. Recent Trends in Quantum Chemical Modeling of Enzymatic Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6780– 6786

5. Sheng, X.; Kazemi, M.; Planas,F.; Himo, F. Modeling Enzymatic Enantioselectivity using Quantum Chemical Methodology. ACS Catal. 2020, 10, 6430– 6449.

招聘信息

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招聘启事详见：

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