一種用于生產(chǎn)手性環(huán)丙烷和其他有價值的分子的生物催化劑
細胞色素P450酶具有大眾所熟知的自然的氧化催化能力：C-H鍵羥化、胺氧化、環(huán)氧化。這個反應(yīng)的關(guān)鍵因素是亞鐵血紅素，它可以結(jié)合氧氣并且將其激活用于氧化反應(yīng)中。含有P450的亞鐵血紅素是一種被熟知的氧化酶，可以在代謝物合成等方面應(yīng)用。
有研究找到了全新的亞鐵血紅素酶催化反應(yīng)類型。由弗朗西斯·阿諾德、佩德羅·科埃略和他們的同事們發(fā)表在Science的一篇文章揭露了這個驚人的發(fā)現(xiàn)，P450工程酶可以通過卡賓轉(zhuǎn)移至烯烴而催化環(huán)丙烷化反應(yīng)。以重氮作為卡賓的前體，不少的亞鐵血紅素酶可以將烯烴（如苯乙烯）轉(zhuǎn)化為手性環(huán)丙烷。在重氮乙酸乙酯和苯乙烯反應(yīng)的過程中，不同的酶能產(chǎn)生不同程度的立體結(jié)構(gòu)選擇性。通過巨大芽孢桿菌中的細胞色素P450酶進一步研究發(fā)現(xiàn)，通過對酶的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的突變提高了反應(yīng)的產(chǎn)率和立體選擇性。苯乙烯上的取代基團可以有多種可能，甚至1-甲基苯乙烯也能夠被酶接受。
一個關(guān)鍵的突變位點是軸半胱氨酸，當(dāng)這個位置的氨基酸轉(zhuǎn)變成絲氨酸或者組氨酸時，能夠通過改變亞鐵血紅素的氧化還原電勢，產(chǎn)生更加強的卡賓轉(zhuǎn)化生物催化活性。最優(yōu)突變酶的酶催化轉(zhuǎn)換數(shù)達到了50,000-100,000次，相當(dāng)于或超越了環(huán)丙烷化反應(yīng)中的銠催化劑。這個反應(yīng)也不僅局限在碳卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，阿諾德和他的伙伴們通過使用硫酰疊氮化物和烯烴作為底物時，還發(fā)現(xiàn)了氮賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)物為氮雜環(huán)丙烷，為在C-H鍵加入而形成手性胺提供了可能性。
重氮化合物和疊氮化物的激活以生成活性的碳卡賓類和氮卡賓類的中間體的反應(yīng)，在自然界中首次被發(fā)現(xiàn)，這個具有重大意義。這些反應(yīng)可以應(yīng)用在醫(yī)藥和農(nóng)藥手性環(huán)丙烷和磺胺類藥物等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。這些新的碳卡賓/氮卡賓轉(zhuǎn)移酶非自然催化反應(yīng)是生物催化領(lǐng)域中的一個重要突破，為金屬酶催化反應(yīng)提供了一個新的選擇。這個技術(shù)已經(jīng)由加利福尼亞理工學(xué)院注冊專利并且獨家授權(quán)給了Provivi公司用于商業(yè)化。
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參考文獻：F. H. Arnold, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9309-9312; F. H. Arnold, E. M. Brustad, Nat. Chem. Biol. 2013, 9, 485- 487; F. H. Arnold, Science 2013, 339, 307-310; F. H. Arnold. Chem. Sci. in press, doi:10.1039/c3sc52535j.
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