發(fā)展高效可持續(xù)的合成方法是當前化學工業(yè)領域的重要趨勢。近年來，致力于實現(xiàn)綠色非天然反應的人工酶得到了越來越多的關注。與天然酶相比，通過向蛋白骨架中引入非天然催化基團而構建的人工酶可催化更加廣泛的反應類型。天然酶的高效性通常是依靠多位點的協(xié)同作用實現(xiàn)，而目前人工酶的研究仍多集中于單一催化位點的引入，由此所致的低反應活性與底物局限性，極大地限制了其在實現(xiàn)高效催化非天然反應中的發(fā)展和應用。2020年荷蘭格羅寧根大學的Gerard Roelfes教授和周志博士在國際頂尖期刊Nature Catalysis上報道了通過理性設計向蛋白骨架中引入兩個非天然催化位點實現(xiàn)了首例人工金屬酶催化的不對稱協(xié)同催化反應（Nat. Catal. 2020, 3, 289, 詳見往期推薦1）。此研究為實現(xiàn)酶催化非天然反應提供了新的思路和非常有效的方法。
不對稱質子化是一種構建α手性中心的有效方法。但是由于質子的小體積性和高活性，不對稱質子化過程通常很難控制，特別是在水相中更具挑戰(zhàn)。近日，江南大學周志教授和格羅寧根大學Gerard Roelfes教授利用課題組之前構建的人工金屬酶協(xié)同催化體系實現(xiàn)了一例串聯(lián)的邁克爾加成/不對稱質子化反應，并得到了非常優(yōu)異的立體選擇性。此人工金屬酶協(xié)同催化體系的構建是基于兩種人工酶設計策略：通過基因編碼引入具有催化活性的非天然氨基酸（Nat. Chem. 2018, 10, 946）和通過超分子組裝引入金屬絡合物（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9796）。此研究展示了人工金屬酶協(xié)同催化體系在解決挑戰(zhàn)性化學反應中具有較大潛力。
在這項研究中使用的LmrR蛋白變體為LmrR_V15pAF，其疏水空腔內的15位含有一個非天然的pAF殘基。pAF殘基可以通過專用的正交翻譯系統(tǒng)直接引入。然后路易斯酸位點通過向LmrR_V15pAF蛋白緩沖液中加入Cu(ll)-phen經(jīng)超分子自組裝結合。作者選用了一種反應活性非常低的咪唑酮（1a）作為邁克爾供體，但其可以在金屬路易斯酸的作用下烯醇化。然后加成到2-甲基丙烯醛（2a）上得到串聯(lián)邁克爾加成/不對稱質子化產(chǎn)物（3a）（表1）。 當作者使用蛋白LmrR_V15pAF與Cu(ll)-phen的協(xié)同組合時，該模板反應能夠得到26%的收率和 89%的ee。對照實驗顯示僅有一個催化位點是不能實現(xiàn)該反應的。這也充分說明了該反應是通過協(xié)同催化的過程實現(xiàn)的（表1）。 表1. 人工金屬酶協(xié)同催化的串聯(lián)邁克爾加成/不對稱質子化反應。 周志教授和Gerard Roelfes教授展示了通過理性設計向蛋白中引入兩種非天然催化位點的方式來構建人工金屬酶協(xié)同催化體系，并利用該體系成功實現(xiàn)了挑戰(zhàn)性的串聯(lián)邁克爾加成/不對稱質子化反應。該人工酶設計策略是通過遺傳編碼非天然的具有催化活性的pAF殘基與利用超分子結合向LmrR蛋白二聚體界面疏水腔引入催化活性Cu配合物的協(xié)同組合而產(chǎn)生的。此種設計具有高度靈活性，并允許引入其他類型的有機催化非天然氨基酸，并可以結合其他金屬配合物。這項研究展現(xiàn)了人工金屬酶協(xié)同催化體系在解決挑戰(zhàn)性化學反應中的強大能力，并且非常有潛力擴展酶催化非天然反應在有機合成當中的應用。 本研究為實現(xiàn)酶催化非天然反應提供了有效的方法。相關研究結果已發(fā)表在國際期刊《ACS Catalysis》上。江南大學周志教授為該論文的第一兼共同通訊作者，荷蘭格羅寧根大學Gerard Roelfes教授為論文的另一共同通訊作者。
