近日，我校化學化工學院王斌舉教授課題組與南京大學化學化工學院黃小強特聘研究員課題組合作，將苯甲醛裂解酶（3CRE）“重塑”為三組分自由基酶，實現了非天然的高對映選擇性的三組分自由基偶聯反應（圖1）。團隊通過理論和實驗的深度協作，解析了這一復雜催化體系的反應過程以及選擇性調控機制。相關研究成果以“Synergistic photobiocatalysis for enantioselective triple radical sorting”為題在線發表于Nature。

圖1.光酶催化的三組分自由基偶聯反應以及底物譜

自然界中復雜化合物的多組分合成往往需要多個酶的共同催化，如何抑制自然選擇的酶天然反應性、利用一個蛋白調控三個不同底物/化學中間體的有序轉化，仍然具有很大的挑戰性。此外，如何實現三組分自由基光酶偶聯反應的立體化學控制，是本研究的重點與難點。針對這些難題，實驗團隊利用可見光激發和定向進化手段，將苯甲醛裂解酶“重塑”為三組分自由基酶（3CRE），實現了非天然的高對映選擇性的三組分自由基偶聯反應。同時，理論模擬很好栓釋了定向進化是如何解決這些問題，并揭示了突變體對酶反應性和選擇性的調控機制。該體系能夠組合三個可變的底物，極大豐富了光生物合成的多樣性，是光酶領域的一個標志性成果。

計算模擬表明，光催化劑[Ru]復合物能夠通過與F283殘基形成穩定的π-π相互作用結合在酶活性中心附近，從而能夠有效促進電子轉移過程以及提高非天然三組分自由基反應的效率。3CRE輔因子硫胺素首先與醛底物1反應生成Breslow中間體（Int. A）。隨后激發態的光敏劑[Ru]*絡合物通過單電子氧化中間體Int.A。分子對接和分子動力學模擬表明，活性中心H113殘基可以作為堿催化Int. A自由基陽離子（Int. A•+）的去質子化，生成中間體Int. B。同時，單電子還原的[Ru]•-絡合物進一步介導自由基前體3中C-Br鍵的還原斷裂，生成自由基Int. C進一步與烯烴底物2發生偶聯生成自由基Int.D。量子力學/分子力學組合方法模擬進一步闡明Int. D在活性位點內的兩種主要結合構象是對映體選擇性產生的關鍵原因。此外，Int.B和Int.D之間的自由基交叉偶聯為整個反應的速控步，很好解釋了對映選擇性的起源以及特定突變對新反應性的影響。

圖2.光酶催化的三組分自由基偶聯反應機理

該研究的理論計算在王斌舉教授的指導下完成，我?；瘜W化工學院 2020級博士馮鍵強（已畢業，現為福州大學副教授）為論文的共同第一作者，黃小強特聘研究員和王斌舉教授為論文的共同通訊作者。理論計算工作得到國家自然科學基金，固體表面物理化學國家重點實驗室和福建省理論與計算化學重點實驗室計算平臺的支持。