近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心、安徽省高場(chǎng)磁共振成像重點(diǎn)實(shí)驗室田長(cháng)麟團隊與南京大學(xué)黃小強團隊、梁勇團隊合作，在光酶催化研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。針對合作團隊開(kāi)發(fā)的焦磷酸硫胺素（ThDP）依賴(lài)酶和光催化協(xié)同的雙催化新體系，田長(cháng)麟團隊依托穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置電子順磁共振（Electron Paramagnetic Resonance, EPR）鑒定了催化反應中的自由基中間體及電子轉移機制，研究成果2023年12月18日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

　　生物制造是變革工業(yè)可持續發(fā)展最有希望的綠色技術(shù)之一。但是生物制造的“芯片”——酶，面臨催化機制理解相對有限、我國在核心酶方面的自主率低等問(wèn)題，成為限制生物制造及合成生物學(xué)發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。

　　酶催化與光催化結合的光酶催化，融合了可見(jiàn)光化學(xué)多樣的反應性和酶的高選擇性，成為開(kāi)發(fā)新酶功能最前沿的策略。研究團隊綜合利用仿生和化學(xué)模擬的思路（圖1），借助可見(jiàn)光激發(fā)和定向進(jìn)化手段，改造焦磷酸硫胺素(ThDP)依賴(lài)酶，從而將ThDP依賴(lài)的苯甲醛裂解酶“重塑”為自由基酰基轉移酶（RAT），實(shí)現了一例非天然的高對映選擇性的自由基-自由基偶聯(lián)反應。

　　針對該光酶雙催化體系，研究團隊綜合應用了低溫電子順磁共振技術(shù)和理論化學(xué)計算等方式，對機理開(kāi)展了詳細研究。其中通過(guò)低溫（80K）下的電子順磁共振實(shí)驗，捕獲到了由ThDP所衍生的ketyl自由基（Int. B），并且控制實(shí)驗表明：PfBAL酶、光敏劑Eosin Y、底物1a、光照都是產(chǎn)生該自由基中間體必不可少的關(guān)鍵因素。另一方面，通過(guò)EPR自旋捕獲（spin trapping）實(shí)驗在標準反應體系中檢測到了特征的六重裂分譜圖，證實(shí)其為中間體benzylic radical（Int. C）與捕獲劑加成后的自由基產(chǎn)物（圖2）。電子順磁共振實(shí)驗為證實(shí)該催化循環(huán)中兩種關(guān)鍵的自由基中間體（Int. B和Int. C）的存在提供了關(guān)鍵的直接實(shí)驗證據，揭示了新酶反應性的關(guān)鍵以及高立體化學(xué)選擇性的來(lái)源。

　　南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士研究生許園園、特任副研究員陳紅威和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心、安徽省高場(chǎng)磁共振成像重點(diǎn)實(shí)驗室于璐副研究員為論文的共同第一作者。南京大學(xué)黃小強研究員、梁勇教授和強磁場(chǎng)中心田長(cháng)麟教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導B、中國科學(xué)院青促會(huì )等項目支持。

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06822-x 

　　圖1：融合化學(xué)與生物，開(kāi)發(fā)新生物合成體系

圖2：機理推測與基于EPR方法的機理探究