非天然氨基酸（noncanonical amino acids, ncAAs）是现代化学与生物学交叉领域的重要分子构件：它们不仅在药物化学、催化与材料领域发挥独特作用，也为蛋白质结构调控、活性优化与化学修饰提供了精准而有效的手段。然而，许多 ncAA 的制备仍主要依赖多步化学路线。相比之下，生物合成以其高选择性、条件温和、底物易得等优势，为构建手性 α-氨基酸提供了更具潜力的平台。
近年来，莱斯大学Han Xiao课题组在 ncAA 的体内生物合成与蛋白质精确插入方面做出了系统性贡献。他们结合遗传密码扩展（GCE）与人工设计的氨基酸合成途径，实现了多种带功能团的 ncAA 的体内生物合成、肌体表达及蛋白位点特异性引入（如 Chem 2020, 6, 2717; Nat. Commun. 2022, 13, 5434; Nat. Commun. 2025, 16, 9388; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 34517; Nat. Chem. Biol. 2025）。这些研究明确提出：构建结构多样、立体可控的 ncAA，是推动合成生物学与蛋白工程进一步发展的关键瓶颈。
另一方面，约翰霍普金斯大学的黄雄怡课题组长期专注于金属酶特别是非血红素酶（nonheme enzymes）的工程化改造，成功开发了一系列酶促非天然过渡金属催化反应。该团队通过重塑金属配位环境、调控自由基中间体以及优化反应通道，使非血红素铁酶能够高效催化多种自由基反应 （如Science 2022, 376, 869-874; Nat. Synth. 2024, 3, 958–966; Nat. Catal. 2024, 7, 1394–1403; Science 2025, 389, 741–746.）、路易斯酸催化反应（Nat. Catal. 2025, 8, 635–644）及过渡金属偶联反应 (ChemRxiv 2025, DOI: 10.26434/chemrxiv-2025-h81hq)，展示了非血红素铁酶在拓展生物催化反应空间中的巨大潜力 (点击阅读详细)。
基于在各自领域的互补优势，两大课题组合作以非血红素铁酶 IPNS 为平台，发展出一种以 azanyl ester 为底物的 1,3-氮迁移反应，实现了对映选择性的 N-保护 α-氨基酸合成。IPNS 是青霉素生物合成中的关键环化酶，其开放的金属配位环境为非天然反应路径提供了理想反应空间。在此之前，该类酶在非天然酶促反应中的潜力尚未被系统探索。本研究表明，IPNS 的活性口袋能够良好兼容 azanyl ester 底物，使其在活性中心发生 N–O 键均裂，生成铁-亚胺（Fe–nitrenoid）中间体，并形成与其顺式配位的羧酸盐基团。这样的构型有利于形成适于氢原子转移（HAT）且具备优异立体控制能力的环状过渡态。在此工作框架下，通过定向进化调控活性位点氨基酸，或通过改变亚胺基的保护基团，可进一步提升酶的活性与选择性（图1c）。
图1. 通过 C−H键氨基化反应实现 ncAA 衍生物的化学与生物催化合成
通过结构分析与定向进化，该团队获得了高性能变体 IPNS-GHV 与 IPNS-GHCGV，使反应收率、对映选择性（最高达 99% ee）和总周转数（最高 3191）大幅提升。值得注意的是，酶工程不仅有效提升了氮迁移效率，也在某些底物中实现了手性的反转：WT-IPNS 形成 L-体产物，而变体则优先生成 D-构型产物，为合成 D-型 α-氨基酸提供了简捷策略。
图2. 针对 1a 的 1,3-迁移氮烯插入反应的 IPNS 定向进化
该方法具有良好的底物适用性，共 24 个底物实现成功转化，包括芳基乙酸衍生物、杂环底物以及经进一步进化后适配的烯丙位 C–H 键氨基化底物，并可实现 1 mmol 的放大反应规模。
图3. IPNS 变体催化的氮酰基酯 1,3-迁移氮烯插入反应的底物范围及制备规模研究
机理研究表明，KIE（2.1）、TEMPO 捕获实验及多种对照体系证明反应历经的关键步骤，整体机理与化学小分子体系相吻合，而酶为其提供了卓越的立体选择性与可工程化能力。
图4. 机制研究
综上，本研究建立了以非血红素铁酶催化 1,3-氮迁移构建 α-氨基酸的新模式，为绿色、高效、对映选择性的氨基酸合成提供了全新的生物催化工具。未来，作者将继续探索 α-烷基取代底物、更复杂分子的后期氨基化以及与体内生物合成路径相结合的功能化 ncAA 构建策略。
这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，论文的第一作者为莱斯大学博士后Teng Yuan博士，博士生Mengxi Zhang为本文的共同一作。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Biocatalytic Synthesis of N-Protected α-Amino Acids through 1,3-Nitrogen Migration by Nonheme Iron Enzymes
Teng Yuan, Mengxi Zhang, Linqi Cheng, Xinzhe Zheng, Shiyu Jiang, Xiongyi Huang*, Han Xiao*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 44041–44047, DOI: 10.1021/jacs.5c11008
导师简介
Han Xiao (https://xiao.rice.edu/) 现任莱斯大学 SynthX 中心主任，并担任化学系、生物科学系和生物工程系教授。课题组拥有崭新的实验室，一流的公共科研平台和良好的工作环境。课题组研究方向包括：生物探针、蛋白质化学修饰、蛋白质进化、抗体偶联、化学生物学以及相关交叉学科。研究成果发表在Nature Chemical Biology, PNAS, JACS, Nature Communications, Chem, Angew 等期刊上。实验室现有多个位置开放，欢迎具有化学、生物化学、分子生物工程、化学工程、药学等相关专业背景的本科、硕士及博士加盟。
导师介绍
Han Xiao
https://www.x-mol.com/university/faculty/49804
黄雄怡
https://www.x-mol.com/university/faculty/386524
