穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶南京大學(xué)黃小強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì),在不對(duì)稱電酶催化領(lǐng)域取得新突破:融合二茂鐵甲醇介導(dǎo)的陽(yáng)極氧化和ThDP依賴酶催化,解鎖了一例非天然的電酶催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)氧化新體系。為了闡明電化學(xué)驅(qū)動(dòng)下ThDP酶活性中心的催化機(jī)制及其立體選擇性的來源,團(tuán)隊(duì)依托SHMFF所屬電子順磁共振(Electron?Paramagnetic?Resonance,?EPR)揭示了其電子轉(zhuǎn)移過程,研究成果以“Electricity-driven enzymatic dynamic kinetic oxidation”為題發(fā)表在Nature期刊上。
近年來,人工酶和光酶催化等策略的發(fā)展,不斷突破生物合成的邊界。另一方面,電化學(xué)合成作為化學(xué)合成領(lǐng)域快速發(fā)展的創(chuàng)新工具,具有廉價(jià)、電勢(shì)可控和可持續(xù)等多重優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前電化學(xué)合成與酶催化的結(jié)合主要集中在以下兩類(圖1):通過電化學(xué)來實(shí)現(xiàn)酶的輔因子再生,繼而實(shí)現(xiàn)酶的天然反應(yīng);電化學(xué)生成的中間體或底物參與后續(xù)酶催化天然轉(zhuǎn)化中(電化學(xué)/酶級(jí)聯(lián))。然而,如何利用電化學(xué)驅(qū)動(dòng)酶催化,去解鎖非天然的新催化模式,仍待突破。

圖1. 電酶催化現(xiàn)狀及本文研究
黃小強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)巧妙地融合了二茂鐵甲醇介導(dǎo)的陽(yáng)極氧化和ThDP依賴酶催化的自由基過程,將連續(xù)2次單電子氧化機(jī)制引入酶中,并結(jié)合定向進(jìn)化技術(shù)理性改造酶的活性位點(diǎn),成功開發(fā)了一例電酶催化非天然轉(zhuǎn)化(圖1c),開辟了“電驅(qū)動(dòng)酶催化”不對(duì)稱合成新方向。
針對(duì)該電酶催化體系,團(tuán)隊(duì)利用EPR對(duì)其電子轉(zhuǎn)移機(jī)理開展了詳細(xì)研究。通過低溫EPR實(shí)驗(yàn)檢測(cè)并表征了電酶催化過程中的關(guān)鍵自由基中間體,并進(jìn)一步通過自旋定量方法確定了該自由基中間體的濃度(圖2g);通過溫度依賴(temperature-dependent)EPR方法和功率飽和(power-saturation)EPR方法進(jìn)一步確認(rèn)了催化體系中自由基的來源(圖3)。EPR實(shí)驗(yàn)為證實(shí)該催化體系中的自由基中間體的存在和來源提供了關(guān)鍵的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖2. 催化機(jī)理探究


圖3.?綜合EPR實(shí)驗(yàn)(溫度依賴和功率飽和實(shí)驗(yàn))
通過融合電催化和酶催化,成功解鎖了ThDP依賴酶的新催化功能,實(shí)現(xiàn)醛到手性羧酸的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)氧化新轉(zhuǎn)化。該成果開辟了“電驅(qū)動(dòng)酶催化”不對(duì)稱合成的新范式,為苯丙酸類藥物的不對(duì)稱生物合成提供了新途徑。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士研究生趙貝貝和許園園為論文的共同第一作者;黃小強(qiáng)教授為通訊作者。值得一提的是,這也是黃小強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用SHMFF的EPR實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)和方法揭示光酶催化機(jī)制(Nature,2024,625,74;Nature,2025,637,1118;Nat. Catal.,2023,6,996)之后,利用電化學(xué)驅(qū)動(dòng)解鎖酶非天然新催化模式的又一項(xiàng)重要研究成果。