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青島能源所開發出丙烷選擇性羥化的人工過加氧酶系統
2019-07-22   青島生物能源與過程研究所 【

  小分子烷烴碳-氫鍵的選擇性羥化是科學界長期以來一直面臨的重要挑戰之一,其主要瓶頸在于烷烴分子碳-氫鍵的鍵解離能比相應醇產物更高,導致傳統的化學氧化容易產生過度氧化產物如醛和酸,甚至二氧化碳等。雖然自然界中存在可以直接選擇氧化小分子烷烴的天然酶,比如甲烷單加氧酶MMO、丁烷單加氧酶BMO、以及真菌過加氧酶AaeUPO等,但無論其催化效率還是種類數量都還不能滿足工業應用的需求。開發小分子烷烴碳-氫鍵選擇性羥化的工程酶是當前國際前沿研究領域之一,對于實現天然氣的“氣液轉化”利用、滿足日益增長的能源與化工原料來源需求和環境保護都有重要意義。 

  細胞色素P450酶是公認的多功能生物氧化催化劑,其催化惰性碳-氫鍵選擇性氧化的能力尤其受到關注,被認為具有改造為小分子烷烴羥化酶的極大潛力。過去十多年來,以2018年諾貝爾獎得主Arnold教授、以及牛津大學Wong教授、名古屋大學Watanabe教授、馬普煤炭研究所Reetz教授等為代表的一批國際知名研究小組已在這一領域取得重要進展,他們利用蛋白質工程和底物誤識別策略等手段獲得了一系列對丙烷和乙烷等小分子烷烴具有高選擇性和高活性的P450工程酶。然而,P450酶催化功能的實現高度依賴還原輔酶NAD(P)H及其復雜的還原伴侶電子傳遞體系來活化分子氧,這在一定程度上限制了其體外催化應用。最近,青島能源所叢志奇研究員帶領的單碳酶催化研究組開發出雙功能小分子(DFSM)促進的細胞色素P450(BM3)過加氧酶催化體系,使其能夠直接利用H2O2實現對非天然底物如苯乙烯和苯甲硫醚等的高效氧化,從而解除了NAD(P)H和電子傳遞體系對P450酶的限制(Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 7628-7633. Selected as Very Important Paper and Frontispiece, Highlighted by ChemistryViews, 相關鏈接:雙功能小分子的魔術:青島能源所開發理性設計P450過加氧酶的新策略)。近日,研究人員將上述策略與酶的半理性設計有機結合,通過對活性口袋關鍵位點的疊加突變研究,首次成功獲得了對丙烷及其他低碳烷烴(C3-C6)具有高羥化活性和選擇性的工程P450過加氧酶(圖1),其反應總轉化數可以和已知唯一可利用過氧化氫氧化小分子烷烴的天然過加氧酶AaeUPO相媲美,產物生成速率與已報道的NADPH依賴P450工程酶高效體系相當。這項研究為開發烷烴小分子碳-氫鍵選擇性羥化的工程酶提供了新的途徑和思路。另外,該人工過加氧酶體系還呈現出了與已報道的NADPH依賴P450酶不同的性質,比如對中等鏈長烷烴的區域選擇性差異、對天然酶實現催化功能不可或缺高度保守位點的突變反而有助于催化活性的改善,這些結果顯示該人工P450過加氧酶體系在生物催化領域有著更廣闊的潛在應用。

  目前相關工作已發表在國際催化領域權威雜志ACS Catalysis(影響因子:12.221)上(ACS Catal. 2019, 9, 7350-7355)。博士研究生陳杰為論文第一作者,叢志奇研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、青島市創新領軍人才計劃、青島能源所“一三五”重點培育方向、中科院生物燃料重點實驗室主任創新基金等項目的大力支持。(文/圖 陳杰 叢志奇)

  圖1人工P450BM3過加氧酶系統催化小分子烷烴選擇性羥化

  附錄:

  Chen, J.; Kong, F.; Ma, N.; Zhao, P.; Liu, C.; Wang, X.; Cong, Z.*, Peroxide-Driven Hydroxylation of Small Alkanes Catalyzed by an Artificial P450BM3 Peroxygenase System. ACS Catal. 2019, 7350-7355.

  

  

 
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