最佳搭档！两位中国学者联手，合作发表5篇正刊之后，再发Science！

新方法！三种原料+光+酶，拼出上百种复杂新分子

近年来，合成化学领域正迎来以多样性导向为核心的新变革。在药物发现和功能材料研发中，高结构复杂性、高立体选择性和骨架多样性的化合物库至关重要。传统酶催化反应虽然具备高选择性，但受限于酶的天然底物范围，难以实现多组分、多骨架的自由组合构建，尤其是在立体选择性自由度较高的自由基反应中更显束缚。如何开发一种既具通用性又能严控立体结构的酶催化反应系统，成为当前化学生物学领域亟需突破的核心挑战。

在此，美国加州大学圣塔芭芭拉分校杨扬教授团队与匹兹堡大学刘鹏教授团队联手合作，借助“光-酶协同催化”策略，成功开发出一种三组分立体选择性自由基偶联反应体系，首次实现了在酶催化条件下高效构建含多个手性中心的多骨架化合物库。这一反应平台具备广泛的底物适应性和出色的手性控制能力，可生成多个类型的新型α-氨基酸衍生物，为药物发现提供了崭新路径。该研究以“Diversity-oriented photobiocatalytic synthesis via stereoselective three-component radical coupling”为题发表在《Science》上，第一作者为Chen Zhang，Jun Zhou为共同一作。值得一提的是，这是两位教授合作继5篇正刊，5篇大子刊后的又一力作！

杨扬教授和刘鹏教授

全新平台：酶催化+光诱导，实现未知反应类型的融合重构

本研究通过有机光催化剂与工程化酶协同驱动，建立起三组分自由基C–C偶联反应体系，实现了前所未有的骨架构建能力（图1a）。所使用的底物包括有机硼自由基源、α,β-不饱和电子受体及β-羧基氨基酸，可分别引发自由基产生、自由基转移与立体选择性交联三部反应循环（图1c）。三组分在体系中相互独立但协同配合，不仅生成了六种结构差异显著的产物类型（图1b），而且在控制自由基中间体立体构型方面展现出卓越能力，真正实现“多样性导向”合成。

图1：多样性导向的光生物催化合成

三组分偶联酶的发现和定向进化

起始阶段，研究团队选用了UstD L392G这一PLP依赖型脱羧酶突变体作为母本，搭配光敏剂Rose Bengal在绿光（520 nm）照射下进行自由基生成和转移。在初步条件下便成功获得具有γ-手性中心的环化产物5a，尽管收率较低（9%），但展示出高立体选择性（d.r. = 74:26，e.r. >99:1）（图2a）。随后，团队通过四轮定向进化，在酶活性位点及其附近的柔性环区域引入突变，逐步优化催化效率与手性控制。最终获得的UstDAWMM突变体（含T391A、M393W、L392M、S60M四处突变）将5a收率提高至77%，同时保持98:2的超高立体选择性（图2b）。

图2.有机硼酸盐、甲基丙烯腈和天冬氨酸的非对映和对映选择性光生物催化三组分自由基偶联

底物普适性验证

为考察该平台的通用性，研究团队对一系列有机硼自由基前体进行了测试，发现芳香类取代基（如卤素、烷基、甲氧基）、杂环类（如吡咯、吡啶、噻吩）、以及脂肪族初级和次级自由基均可有效偶联（图3）。部分不稳定的自由基中间体，如异丙基、环戊基，也能在温和条件下成功生成目标产物，说明该体系对自由基寿命与反应速率具有极强适应性。

图3.使用甲基丙烯腈进行立体选择性光生物催化三组分自由基 C-C 偶联的底物范围

功能基团扩展：非对称合成打开全新结构空间

除甲基丙烯腈外，研究者进一步扩展了反应适用的α,β-不饱和底物种类（图4a），包括丙烯腈、丙烯酸甲酯、丙烯醛和异丙烯酮等，生成的产物类型从未环化的氨基酸酯类（4b、4c）到环化的非天然γ-内酰胺（6a–6c）一应俱全。尤其值得一提的是，当引入不饱和酮类后，产物可进一步在亚胺还原酶（IRED）作用下转化为结构新颖的多取代非天然脯氨酸衍生物（7a、7b）（图4b），为构建分子复杂度极高的药物先导结构提供了高效路径。

图4.使用替代自由基前体和多酶级联进行面向多样性的光生物催化合成

手性控制的多维度演绎

在探究催化手性控制的过程中，研究团队展示了酶催化体系如何通过不同机制实现立体选择性操控（图5）。例如，通过筛选不同突变体，实现对同一底物生成不同立体构型产物（5u），展示出“酶控制的对映体分化”（图5a）；针对β-甲基天冬氨酸等非天然底物，体系则体现出“动力学拆分”能力（图5b）；而在处理具有内生手性的不饱和酮时，体系则可平行生成两类高立体纯度产物，呈现“平行动力学拆分”（图5c），充分发挥出酶在立体识别方面的多样性与选择性优势。

图5.利用各种不对称催化概念的光生物催化三组分偶联

组合生物催化用于面向多样性的合成

为进一步检验该体系在真实药物前期开发中的应用潜力，研究者采用十种自由基源与十种电子受体进行10×10组合实验，共生成89种此前未在研究中测试的组合（图6）。在UstDAWQ等多种工程酶协同作用下，成功率高达86%，其中44%的产物收率在30%以上，展现出该平台在合成骨架多样性化合物库中的巨大潜力。

图 6.光生物催化组合合成

光-酶共协同机制解析

通过紫外-可见光谱与荧光各向异性滴定实验，研究者确认了光敏剂Rose Bengal与工程酶UstDAWMM间存在强烈结合（Kd=10.9 μM）（图7a-c），有助于精确定位自由基生成位点。进一步利用分子动力学模拟和量子化学计算，揭示了关键残基M60、L392和W393通过疏水作用、π-π堆积和氢键网络共同构建了一个专一性的手性口袋（图7d-e），对自由基方向性进入与立体选择性反应过程起到决定性影响。

图7.双光生物催化三组分自由基偶联的光物理和计算研究

总结与展望

综上所述，研究团队开发出一种基于光-酶协同的三组分自由基偶联平台，不仅突破了天然酶反应在底物范围与反应类型上的限制，更展示了其在手性控制、结构多样性和可扩展性方面的巨大潜力。该体系为药物化学、功能分子构建乃至酶进化策略的拓展提供了重要范例，也预示着未来“酶-光”融合技术将在精细化学合成领域迎来更广阔的应用前景

来源：高分子科学前沿

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