創新領軍人才叢志奇團隊開發設計P450過加氧酶的新策略

　　細胞色素P450單加氧酶（Cytochrome P450 monooxygenase）是一類在自然界中廣泛存在、以亞鐵血紅素為反應活性中心、以分子氧（O₂）為氧化劑的多功能氧化還原酶超家族。P450酶在溫和條件下高選擇性地催化惰性C-H鍵羥化、烯烴環氧化、雜原子氧化等多種類型反應，在生物化工、有機合成等領域有著巨大的應用潛力。然而P450酶的實際應用依然存在著挑戰：其利用O₂的氧化還原催化過程高度依賴提供電子的輔因子NAD(P)H和輸送電子的還原伴侶蛋白（reduced partner），復雜的蛋白復合物分子機器構造降低了P450酶的穩定性和催化效率。過氧化氫（H₂O₂）作為綠色氧化劑，在有機合成和化工上都有重要應用價值。在P450酶中使用H₂O₂替代O₂，則不需要輔因子及其復雜的電子傳遞鏈（electron transport chains），從而可以極大簡化P450酶的催化路徑。然而，絕大多數天然P450酶在H₂O₂存在下的活性都很低甚至沒有活性。

雙功能小分子驅動的P450過加氧酶和推測的催化機理

　　實際上，自然界中存在著一些可以直接利用H2O2的過氧化物酶（peroxidase）和過加氧酶（peroxygenase），它們與P450酶不同之處在于：過氧化物酶和過加氧酶的結構序列中，在活性中心近端有保守的酸堿性氨基酸殘基，可以協助酶的血紅素鐵活性中心活化H₂O₂。可能正是這種天然的結構差異導致P450酶無法有效活化H₂O₂。針對上述難題，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員叢志奇帶領的單碳酶催化研究組模擬天然過加氧酶的催化機制，把化學直接干預策略與酶分子工程技術結合，將P450BM3單加氧酶成功改造為可以直接利用H₂O₂的P450過加氧酶（如圖）。研究人員巧妙地設計了一類雙功能小分子：一端的咪唑作為“催化功能基團”，另一端為帶有酰基氨基酸的“錨定功能基團”。“錨定基團”通過與P450BM3的多重氫鍵特異識別作用把小分子固定到活性口袋，“咪唑基團”則發揮酸堿催化作用協助血紅素活性中心活化H₂O₂。與已有報道的P450過加氧酶相比，該系統對烯烴環氧化、硫醚亞磺化、芐基型羥化等多種反應顯示出更好的催化活性，為開發基于P450酶的非天然底物氧化生物催化劑提供了一條新的途徑，同時為通過化學干預手段拓展P450酶的催化活性、功能、應用提供了新的思路，具有十分重要的科學意義和潛在的應用價值。相關結果已于3月30日在線發表于《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）。

　　以上研究得到了國家自然科學基金、山東省合成生物學重點實驗室、青島能源所啟動基金的大力支持。