“Nature∣光驱动酶催化，手性选择性自由基酰化”
文献信息：
Yuanyuan Xu, Hongwei Chen, Lu Yu, Xichao Peng, Jiawei Zhang, Zhongqiu Xing, Yuyan Bao, Aokun Liu, Yue Zhao, Changlin Tian, Yong Liang, and Xiaoqiang Huang.
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06822-x
Nature 影响因子:43.1
背景介绍
酶被认为是实现高立体选择性的卓越催化剂，但它们在控制自由基的反应性和立体诱导方面落后于化学催化剂。目前，尚缺乏一种生物相容且通用的自由基产生机制。
在这里，作者通过蛋白工程和与有机光还原催化的结合，将ThDP依赖的裂合酶重新设计为立体选择性的自由基酰基转移酶（RAT）。酶结合的ThDP衍生的基酚自由基通过光激发的有机染料的单电子氧化选择性生成，然后与高立体选择性的前手性烷基自由基进行交叉耦合。通过这种方法，可以从醛和氧化还原活性酯制备多种手性酮（35个例子，最高97%对映异构体过量（e.e.））。
机理研究揭示了这种先前难以实现的双酶催化/光催化通过独特的ThDP辅因子和可进化的活性位点引导自由基。这项工作不仅扩展了生物催化的范围，还提供了一种通过酶控制自由基的独特策略，与现有的化学工具相辅相成。
图文解读
图1 将裂合酶设计为自由基酰基转移酶（RAT）
a，ThDP依赖的酶通常通过双电子途径催化C–C键形成，而一些报告表明自由基参与PFOR催化。
b，报道了一种非自然对映选择性自由基酰基转移的双光还原和生物催化策略。
CoASH，辅酶A；PhthN，邻苯二甲酰亚胺。
图2 反应开发
a，模型反应。
b，模型反应的进化轨迹和对照实验。
c，基于PfBAL（蛋白数据银行代码：3D7K）活性位点内分子动力学模拟的自由基中间体选择的演化位点。
标准条件：醛1（0.004毫摩尔），N-(酰氧基)邻苯二甲酰亚胺2（0.020毫摩尔），酶（2％），吖啶黄Y（3％）和50毫摩尔MOPS缓冲液中的20体积百分比DMSO（pH7.5，含有2.5毫摩尔MgSO4和3％ThDP），在N2气氛下在室温下搅拌16小时，以530-540纳米LED的照射；反应的总体积为0.6毫升；产率由气相色谱法确定并基于1；e.e.由高效液相色谱分析在手性固定相上确定。
图3 范围研究
除非另有说明，否则应用图2a中显示的标准条件。产率由气相色谱法确定，并报告为重复实验的平均值。
e.e.由高效液相色谱分析在手性固定相上确定。a 孤立产率基于1毫摩尔的反应。b 孤立产率基于0.1毫摩尔的反应。通过3e和3g的单晶结构确定了绝对构型。d.r.，对映异构比。
图4 机理研究
a，可能的催化循环。
b，在标准条件下进行的TEMPO的自由基捕获实验。
c，使用(R)-naproxen衍生和(S)-naproxen衍生的N-(酰氧基)邻苯二甲酰亚胺作为自由基前体进行苄基自由基探针实验。
d，标准条件下和对照条件下的低温EPR实验。
EPR实验条件：微波频率，9.40 GHz；微波功率，0.1 mW；调制幅度，1.0 G；温度，80 K。
e，在室温下使用DMPO作为自旋陷阱进行EPR自旋陷阱实验。
对于在标准条件下的反应观察到的六线EPR谱（g因子值为2.006，AN值为15.74 G，AHβ值为22.54 G）（实验：绿色曲线；模拟：蓝色曲线）。EPR实验条件：微波频率，9.40 GHz；微波功率，2.0 mW；调制幅度，1.0 G；温度，298 K。
f，苄基自由基和ThDP衍生的基酚自由基的四个过渡态（TS）的计算电子能量（ΔE，kcal mol−1），使用M06-2X/6-311 + G(d,p)和SMD（水）模型。
g，选择的MD快照（t=100 ns）和L480和L481之间的三个过渡态TS-S（左）、TS-S'（中）和TS-R（右）的计算色散能量（Edispersion，kcal mol−1）。距离以Å为单位。
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