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我校微生物酶工程团队通过酶催化实现烯烃的反马氏不对称水合反应

时间:2022-06-09 15:01:51 来源:生命科学学院 阅读:
 

  本网讯(通讯员 林晖)近日,我校生命科学学院微生物酶工程团队在新型酶制剂开发方面取得突破性进展,研究通过开发苯乙烯单加氧酶催化多功能性,首次实现酶催化烯烃与水的反马氏加成反应,可实现由大宗化学品烯烃向高附加值的伯醇类化合物的转化。

  醇类是合成许多药物、天然活性物质和农药的重要前体,烯烃的水合反应是制备醇类最直接有效的方法之一。然而,传统的酸催化烯烃水合反应只能得到符合马氏规则的产物醇,即OH总是加在取代基多的碳原子上而H总是加在取代基少的碳原子上,限制了烯烃水合反应的应用,因此反马氏规则的烯烃水合反应在1993年就被列入催化领域的十大挑战之一。

  酶催化合成相较于化学催化合成,具有反应条件温和、催化效率高、区域选择性高等优点,因而成为绿色制造领域的研究热点。本研究通过开发苯乙烯单加氧酶催化的多功能性,发现来自于假单胞菌Pseudomonas sp. LQ26的苯乙烯单加氧酶(SMOA)催化反应从有氧体系转变为厌氧体系时,该酶能够催化芳香烯烃与水的反马氏加成反应,同位素追踪技术进一步证实了反马氏过程的发生,反马氏产物:马氏产物 >99:1(图1)。更为重要的是,SMOA催化烯烃反马氏水合反应具有立体选择性,为手性伯醇的制备提供了崭新的途径。

 

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图1. 苯乙烯单加氧酶催化烯烃环氧化和反马氏水合反应

 

  为解析SMOA催化烯烃反马氏水合反应的关键催化位点,研究团队结合计算机辅助的蛋白结构模拟、分子对接、定点突变等手段,确定Asn46、Asp100和Asn309为该酶催化烯烃反马氏水合反应的关键催化位点(图2)。

 

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图2. SMOA催化烯烃反马氏水合反应的关键位点解析

 

  为进一步解析该酶催化机制,通过分析SMOA催化反式-氟代苯乙烯水合反应产物,提出SMOA催化的反马氏水合反应为通过形成碳负离子中间体的过程实现的,其中极性氨基酸残基Asn46和Asn309在稳定碳负离子中间体中起着关键的作用(图3)。

 

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图3. SMOA催化烯烃反马氏水合反应机理

 

  研究团队通过“老酶新用”获得新型催化功能酶,解决了烯烃反马氏加成这一科学难题,且该酶催化过程不需要辅酶的参与,并具有优异的区域选择性和高立体选择性,为手性反马氏醇的合成提供了新的思路。

  该成果以题为“Enzymatic Enantioselective anti-Markovnikov Hydration of Aryl Alkenes”的研究论文(Research Article)在国际权威学术期刊Angewandte Chemie International Edition (德国应用化学)上发表。生命科学学院微生物酶工程团队林晖副教授为第一作者,陈红歌教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(32171472)和河南省自然科学基金(202300410218)的资助。

 

  全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202206472

 

 

编辑/杨钰晨 签审/郑文明 审核/谢东明

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