热点研究

「Spotlight Research」酶催化分子间卡宾-多取代混合烯烃转移环丙烷化

作者:石油醚

本期热点研究,我们邀请到了本文第一作者,来自加州理工学院的毛润泽博士为我们分享。

2023年7月11日,JACS在线发表了来自美国加州理工学院的诺奖得主Frances H. Arnold教授课题组发表了题为「Enantio- and Diastereoenriched Enzymatic Synthesis of 1,2,3-Polysubstituted Cyclopropanes from (Z/E)-Trisubstituted Enol Acetates」的研究论文。作者通过对Arnold课题组现有的P450酶库并成功得到初始活性的酶,通过定向进化最终获得了工程酶P411-INC-5185(也被称为”动力学拆分酶”)并实现了酶催化分子间卡宾-多取代混合烯烃转移环丙烷化。

“Enantio- and Diastereoenriched Enzymatic Synthesis of 1,2,3-Polysubstituted Cyclopropanes from (Z/E)-Trisubstituted Enol Acetates

Runze Mao, Cooper S. Jamieson, Torben Rogge, Shilong Gao, Anuvab Das, Doris Mia Taylor, K. N. Houk*, and Frances H. Arnold* J. Am. Chem. Soc. 2023, ASAP. DOI:10.1021/jacs.3c04870

Q1. 请对Enantio- and Diastereoenriched Enzymatic Synthesis of 1,2,3-Polysubstituted Cyclopropanes from (Z/E)-Trisubstituted Enol Acetates一个简单介绍。

这个工作的基础思想是通过蛋白质定向进化技术来搭建一座生物催化和合成化学的“桥梁”。通过这个“桥梁”,合成化学的理念可以被引入到天然生物催化,以突破后者的局限性。反之,酶催化的优势也可以助力合成化学,解决现有难题甚至填补空白。

该研究聚焦现有金属催化的不对称分子间卡宾-多取代烯烃转移环丙烷化反应对立体纯烯烃的依赖问题。1由于立体纯烯烃特别是多取代(E)-或(Z)-烯烃的合成或纯化并非易事,该问题成为了阻碍上述策略合成手性环丙烷产物的一个关键障碍。

面对这个问题,该工作的解决策略是利用工程酶催化分子间卡宾-多取代混合烯烃转移环丙烷化反应。基于酶的底物专一性特质,我们猜想这个策略有希望避免现有小分子金属催化策略对立体纯烯烃的依赖问题。2

我们团队首先筛选了Arnold课题组现有的P450酶库并成功得到初始活性。在初始酶的基础上我们进行了定向进化,最终获得了工程酶P411-INC-5185(也被称为”动力学拆分酶”)并实现了酶催化分子间卡宾-多取代混合烯烃转移环丙烷化(请看1)。在此基础上,我们通过进一步定向进化得到了工程酶P411-INC-5186(也被称为”非对映异构体分辨酶”)。该工程酶在P411-INC-5185的基础上,通过引入单一突变W263M,获取了一个新的功能并成功实现将混合烯烃中的(Z)-或(E)-异构体专一地转化为手性环丙烷和手性支链酮产物(请看2)。通过计算和实验相结合的方法,我们研究了工程酶P411-INC-5185和P411-INC-5186的差异,以及W263M突变对于酶活性位点的位阻改造导致的显著功能性差异。

1手性环丙烷产物是很多药物分子和天然产物的核心骨架,可以显著提高分子的生物活性。

2酶可以借助其底物专一性对混合多取代烯烃中的(E)-或者(Z)-异构体进行自动“预筛选”。

图1

 2

Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢?又是怎样克服的呢

2012年,我的导师Frances Arnold教授和团队第一次通过定向进化将P450工程酶应用于非天然分子间卡宾-单取代烯烃转移环丙烷化反应中 (Coelho, P. S.; Brustad, E. M.; Kannan, A.; Arnold, F. H. Olefin Cyclopropanation via Carbene Transfer Catalyzed by Engineered Cytochrome P450 Enzymes. Science 2012, 339, 307–310.)。过去的十余年中,尽管非常多的后续工作涌现出来,但还没有课题组真正的实现工程酶催化分子间卡宾-多取代混合烯烃转移环丙烷化,可以想象其中面临的挑战。所以这个研究最大的困难就是不惧怕难题,并相信定向进化和酶催化可以解决这个难题。此外,酶具备着”牵一发而动全身”的特性,因此我们常常面临着突变一个位点就导致酶完全失活的尴尬情况。

克服第一个困难的关键就是相信进化的力量,相信酶催化。第二个困难其实并不是问题,因为改变一下思路,正是由于酶具有“牵一发而动全身”的特性,我们才可以找到W263M突变点来指导酶获得截然不同的功能性。

Q3. 本次研究主体,有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢?

没有感到辛苦,因为酶的卓越选择性和无限潜力每天都令我惊叹,我享受探索“定向进化和酶催化世界”的过程。“烧脑”经常有,因为我经常不理解为什么酶具有这么高的活性、选择性和可进化性,理解和探索的过程非常“烧脑”。

Q4. 来想继续研究化学的哪个方向呢?

我希望可以借助蛋白工程技术和定向进化的力量不断地搭建连通生物催化和合成化学的“桥梁”,因为我相信工程酶具有革新传统化学合成方法和理念的潜力,我希望可以助力并加速这个过程。

Q5. 最后,有什么想对各位读者说的吗?

定向进化和酶催化构建了一个广阔而神奇的领域。作为一位合成化学出身的研究工作者,我热切期待更多的合成化学研究人员加入我们的行列,共同搭建起通向这个领域的桥梁,扩展其广度,挖掘其潜力,并将其真正应用于实际生产中,加速传统化学的“进化”。

Q6. 致谢

特别感谢本文共同第一作者Daniel Wackelin的愉快合作,感谢Cooper S. Jamieson和Torben Rogge在加州大学洛杉矶分校 Ken Houk教授的指导下进行的计算研究,感谢Shilong Gao、Anuvab Das和Doris Taylor提供的实验支持,以及Sabine B. C.和Zhen Liu提供的富有成果的讨论和建议。衷心感谢我的导师Frances Arnold教授提供的宝贵指导。

作者教育背景简介

教育背景:

  • 博士后,加州理工学院 (导师: Frances H. Arnold) 01. 2021 – 至今
  • 博士后,瑞士联邦理工学院,洛桑(导师: Xile Hu (胡喜乐 教授)) 10. 2020 – 12. 2020
  • 博士,瑞士联邦理工学院,洛桑(导师: Xile Hu (胡喜乐 教授)) 07. 2016 – 09.2020
  • 硕士,北京大学(导师:叶新山 教授) 2013 – 07 2016
  • 学士,河南师范大学(导师:渠桂荣 教授, 郭海明 教授) 2009 – 07. 2013

获奖经历:

  • 2021 Swiss National Science Foundation Postdoc. Mobility Fellowship 2021
  • 2020 Chinese Government Award for Outstanding Self-Financed Students Abroad 2021
  • 2020 EPFL Doctoral Program Thesis Distinction 2020
  • Finalist for the Reaxys Ph.D. Prize, Elsevier. 2019
  • Chemistry Travel Award, Swiss Academy of Sciences (SCNAT). 2018
  • D. fellowship | Marie Sklodowska-Curie ITN project. 07. 2016
  • Excellent Graduate Award, Peking University, China. 2016
  • D. fellowship | Clarendon scholarship, Oxford University (declined). 04. 2016
  • National Scholarship for Graduate students, China. 2015
  • National Scholarship for Undergraduate students, China. 2012

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