上海
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作者：Sophia
导读：酶（enzyme）是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。酶属生物大分子，分子质量至少在1万以上，大的可达百万。酶是一类极为重要的生物催化剂（biocatalyst）。由于酶的作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。酶具有不同于一般催化剂的显著特点：酶对底物具有高度特异性，高度催化效率。酶具有可调节性及不稳定性。
近日，华中科技大学钟芳锐、吴钰周教授团队与西北大学陈希教授团队合作在国际知名期刊《Nature》发表题为“Enantioselective [2+2]-cycloadditions with triplet photoenzymes”的研究论文，报道在人工光酶催化领域取得重要研究进展。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05342-4
研究背景
01
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。自然进化的酶，尽管种类繁多和功能多样性惊人，但主要通过热化学激活起作用。将突出的光催化模式整合到蛋白质中，如三重态能量转移，可以产生人造光酶，扩大自然生物催化的范围。
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构建人工酶，能够极大地拓展酶的催化反应性，从而实现更多样化非天然有机化学品的生物催化合成。
研究进展
02
研究团队利用基因重编程，化学进化的光酶，其中嵌入了一个合成的三重态光敏剂，能够激发态对映体的诱导。通过四轮定向进化对映选择性分子内[2+2]光环加成的吲哚衍生物提供了丰富的变体，其具有良好的底物通用性和优异的对映选择性（高达99%对映体过量）。光酶-底物复合物的晶体结构阐明了介导反应立体化学的非共价相互作用。
三重态光酶（TPe）催化能量转移[2+2]光环加成反应示意图
该研究创造的世界上首个能量转移作用机制的人工光酶，突破了酶只能用于天然产物生产的局限性，使酶能够用于化学药物、新材料等更多非天然合成化学品的生产。人工光酶集成了化学催化剂的独特反应性和生物催化剂的专一选择性两者的优势，为解决手性光反应这一挑战性难题提供了一种全新的策略。
研究意义
03
研究通过三重态能量转移的光催化机制与蛋白质的精细超分子腔相结合，人工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，为有机分子激发态反应的手性选择性调控提供了有效的手段，也从根本上拓展了酶催化的反应性。这不仅扩展了能量转移反应性7-10在超分子蛋白质腔中的人工三重态光酶，而且解锁了有价值的对映选择性光化学合成的综合方法，该方法仅通过合成或生物世界都无法获得。
参考资料：
http://news.hust.edu.cn/info/1002/46362.htm
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05342-4
http://news.cjn.cn/csqpd/wh_20004/202209/t4270920.htm#:~:text=2
注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。
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