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【JACS】南京大学潘惠杰/梁勇:通过辅因子工程策略改造天然谷胱甘肽,将谷胱甘肽S-转移酶(GST)重编程为人工光酶

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研究背景

能量转移(EnT)光催化能够突破热反应的热力学限制,实现一系列激发态特有的有机转化,其中[2+2]光环加成是构建环丁烷骨架的核心方法。在传统小分子催化体系中,研究者已通过手性光敏剂、光敏剂-手性酸组合等策略,实现了烯酮、喹诺酮、肉桂酸酯等多种底物的对映选择性[2+2]环加成。但截至目前,能够直接构建手性双环磺内酰胺(bicyclic sultam)骨架的对映选择性[2+2]光环加成反应仍未被开发,是不对称光催化领域的难点。

光酶催化结合了光化学活化与酶的手性空腔调控能力,为激发态反应的立体控制提供了全新解决方案。当前人工光酶的构建策略主要包括非天然氨基酸基因编码、光敏剂共价连接与超分子锚定,但这些方法普遍存在操作复杂、模块化不足、适配蛋白骨架有限等短板。针对这一问题,潘惠杰课题组前期提出了“辅因子工程策略”:将NAD+辅酶的烟酰胺功能单元替换为二苯甲酮光敏剂,开发出NAD型人工辅因子BpAD,可通过天然的辅酶-蛋白相互作用,将多种NAD结合蛋白直接重编程为人工光酶,实现对映选择性[2+2]环加成(Nat. Catal.2025, 8, 822);后续修饰得到的MeO-BpAD还进一步实现了分子间[2π+2σ]环加成反应(J. Am. Chem. Soc.2026, 148, 13755)。

为验证该设计原理的普适性,团队将研究范畴从经典辅酶拓展至天然辅因子—谷胱甘肽(GSH)。谷胱甘肽在生物体内广泛存在,对应的谷胱甘肽S-转移酶(GST)蛋白家族成员众多、结构多样,是构建人工酶的理想骨架库。

前沿科研成果

近日,南京大学潘惠杰/梁勇团队报道了一种新型谷胱甘肽型人工光辅因子体系:通过对谷胱甘肽进行化学修饰,引入二苯甲酮光敏单元,得到光活性辅因子GS-Bp1。该辅因子可模拟天然GSH的结合模式,与多种GST蛋白通过弱可逆且特异性的相互作用组装,直接将天然谷胱甘肽结合蛋白重编程为人工光酶。

基于该体系,团队首次实现了磺酰胺底物的分子内对映选择性[2+2]光环加成,高效构建手性双环磺内酰胺骨架。通过蛋白筛选与定向进化,人源GST A1-1突变体可催化合成一系列双环磺内酰胺产物,产率中等至优异,对映选择性最高可达99% ee,转化数(TON)最高达480,催化效率比小分子二苯甲酮催化剂高出两个数量级以上。结合光谱表征与分子动力学模拟,研究证实定向进化通过重新平衡过渡态中的π-π堆积作用与色散作用,精准调控了反应的立体选择性。该工作将辅因子工程策略从NAD+辅酶拓展至谷胱甘肽类分子,建立了人工酶构建的通用平台。


(来源:J. Am. Chem. Soc.)

反应开发与优化

团队以2-芳基磺酰胺底物的分子内[2+2]环加成为模型反应,目标构建手性双环磺内酰胺骨架。研究设计合成了两种GSH衍生光辅因子:含经典二苯甲酮单元的GS-Bp1,以及带有酰胺取代基的红移类似物GS-Bp2,二者均可通过简便的化学修饰制备,体现了GS辅因子平台的模块化优势。

空白对照实验表明:无辅因子、无蛋白时反应完全不发生;仅加入游离GS-Bp1/GS-Bp2仅有微弱活性,且无对映选择性,证明蛋白骨架是催化活性与立体控制的核心。随后团队筛选了多种来源的GST家族蛋白,结果显示:

1. GS-Bp1与人源hGST A1-1组合性能最优,初始条件下获得38%产率与67% ee;

2. 不同蛋白与辅因子的配对可呈现不同的对映偏好,证明该体系可通过组分搭配调控立体化学结果;

3. 单独hGST A1-1无催化活性,进一步验证了光活性辅因子的必要性。

研究通过分子动力学(MD)模拟解析了GS-Bp1在hGST A1-1活性口袋中的结合模式:谷胱甘肽部分与天然GSH结合模式高度一致,保留了与T74、R51等残基的氢键用;二苯甲酮单元则占据底物结合口袋,与F226形成π-π相互作用。基于该结构模型,团队锁定活性口袋内靠近光敏单元的关键位点(L113、V117、L219、F226等),开展定向进化改造:

1. 单点突变 L113V:对映选择性从67% ee提升至85% ee;

2. 引入第二位点V117I:产率从32%提升至49%,ee进一步升至89%;

3. 第三突变L219I:产率达51%,ee提升至92%。

在此基础上,团队系统优化了缓冲体系、pH值、共溶剂比例、光照强度等反应参数。最优条件下,模型产物2a的分离产率可达90%,对映选择性达97% ee;降低人工酶量至0.5 mol%时,仍能保持62%产率与96% ee,展现出优异的催化周转能力。


(来源:J. Am. Chem. Soc.)

底物普适性考察

在最优突变体与反应条件下,团队对底物适用范围进行了全面考察:

芳环取代基:对位烷基、烷氧基等给电子取代基耐受性良好,叔丁基等大位阻基团仅轻微降低产率,不影响对映选择性;吸电子卤素取代会使产率有所下降,但ee值基本保持,且卤素原子半径越大,负面影响越显著;间位、邻位取代呈现相似规律。

环尺寸拓展:磺内酰胺环从五元环拓展至六元环时,反应可顺利进行,产物ee值高达98%;进一步拓展至七元环则完全失活。

杂芳环底物:吡唑、噻吩、呋喃等杂芳环替代苯环后,反应均能高效进行,对映选择性普遍高于90%,部分底物ee值可达99%。

官能团影响:磺酰胺的NH基团对催化至关重要,烷基化修饰后产率与ee均大幅下降;烯烃端的额外取代基也会因位阻效应显著降低反应性能。

与小分子二苯甲酮催化体系相比,该人工光酶反应速率提升超过两个数量级:小分子体系通常需要10 mol%以上载量、反应96小时以上,而人工酶体系3小时内即可达到高转化率,转化数(TON)最高可达480。


(来源:J. Am. Chem. Soc.)

机理研究与选择性起源

为揭示催化机制与立体选择性来源,团队开展了多维度的实验与计算研究:

结合亲和力表征:等温滴定量热(ITC)测试显示,GS-Bp1/GS-Bp2对GST蛋白的结合亲和力远强于天然GSH,Kd达到微摩尔级别,与天然辅酶-蛋白的结合强度相当。这一增强源于二苯甲酮单元引入的额外π-π堆积与色散相互作用。

激发态动力学研究:瞬态吸收光谱表明,游离GS-Bp1的激发态会被氧气显著淬灭(寿命从 12.7 μs缩短至2.4 μs);而与蛋白组装后,氧气淬灭效应大幅减弱,证明蛋白空腔对激发态起到了保护作用,与实验中氧气不影响反应效率与选择性的结果一致。

反应动力学验证:时间进程实验显示,游离辅因子几乎无活性,与蛋白组装后反应速率显著提升;改变蛋白与辅因子的摩尔比例可调控反应速率,但不改变对映选择性,证明催化活性与立体控制均来自蛋白-辅因子组装体。


(来源:J. Am. Chem. Soc.)

立体选择性起源:DFT计算证实C1-C4成键是反应决速步。MD模拟与结合自由能分析表明:野生型酶中,TS-S构型因更强的π-π堆积作用更稳定,但色散作用会优先稳定TS-R,部分抵消π-π的优势,因此ee值中等;定向进化的突变通过选择性削弱稳定TS-R的色散作用,重新平衡两种非共价相互作用,使TS-S的能量优势逐步扩大,最终实现了高达99%的对映选择性。


(来源:J. Am. Chem. Soc.)

总结

该工作开发了一类谷胱甘肽型人工光辅因子,成功将天然GST家族蛋白重编程为高选择性人工光酶,首次实现了双环磺内酰胺骨架的对映选择性[2+2]光环加成,填补了不对称光催化领域的空白。

研究将辅因子工程策略从经典NAD+辅酶拓展至谷胱甘肽类分子,验证了“保留天然结合模块、替换功能单元”设计思路的通用性。这种可逆、模块化的组装方式,无需复杂的基因操作或蛋白修饰,即可实现人工辅因子与多种天然蛋白的配对筛选,为人工酶的快速构建与定向进化提供了通用平台。该策略未来可进一步拓展至更多非天然转化,持续拓展酶催化的反应边界。

论文信息

Reprogramming Glutathione-Binding Proteins into Artificial Photoenzymes by Engineered Glutathione-Type Cofactors

Chang Wang, Jinmeng Yu, Hongwei Chen, Wenhao Hu, Huan Wang, Yong Liang,* and Hui-Jie Pan*

Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/jacs.6c05795

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