發(fā)展高效可持續(xù)的合成方法是當(dāng)前化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的重要趨勢(shì)。近年來，致力于實(shí)現(xiàn)綠色非天然反應(yīng)的人工酶得到了越來越多的關(guān)注。與天然酶相比，通過向蛋白骨架中引入非天然催化基團(tuán)而構(gòu)建的人工酶可催化更加廣泛的反應(yīng)類型。天然酶的高效性通常是依靠多位點(diǎn)的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)，而目前人工酶的研究仍多集中于單一催化位點(diǎn)的引入，由此所致的低反應(yīng)活性與底物局限性，極大地限制了其在實(shí)現(xiàn)高效催化非天然反應(yīng)中的發(fā)展和應(yīng)用。2020年荷蘭格羅寧根大學(xué)的Gerard Roelfes教授和周志博士在國(guó)際頂尖期刊Nature Catalysis上報(bào)道了通過理性設(shè)計(jì)向蛋白骨架中引入兩個(gè)非天然催化位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了首例人工金屬酶催化的不對(duì)稱協(xié)同催化反應(yīng)（Nat. Catal. 2020, 3, 289, 詳見往期推薦1）。此研究為實(shí)現(xiàn)酶催化非天然反應(yīng)提供了新的思路和非常有效的方法。
不對(duì)稱質(zhì)子化是一種構(gòu)建α手性中心的有效方法。但是由于質(zhì)子的小體積性和高活性，不對(duì)稱質(zhì)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(xué)周志教授和格羅寧根大學(xué)Gerard Roelfes教授利用課題組之前構(gòu)建的人工金屬酶協(xié)同催化體系實(shí)現(xiàn)了一例串聯(lián)的邁克爾加成/不對(duì)稱質(zhì)子化反應(yīng)，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(gòu)建是基于兩種人工酶設(shè)計(jì)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(luò)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(xué)反應(yīng)中具有較大潛力。
在這項(xiàng)研究中使用的LmrR蛋白變體為LmrR_V15pAF，其疏水空腔內(nèi)的15位含有一個(gè)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(diǎn)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(jié)合。作者選用了一種反應(yīng)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(duì)稱質(zhì)子化產(chǎn)物（3a）（表1）。 當(dāng)作者使用蛋白LmrR_V15pAF與Cu(ll)-phen的協(xié)同組合時(shí)，該模板反應(yīng)能夠得到26%的收率和 89%的ee。對(duì)照實(shí)驗(yàn)顯示僅有一個(gè)催化位點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的。這也充分說明了該反應(yīng)是通過協(xié)同催化的過程實(shí)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(duì)稱質(zhì)子化反應(yīng)。 周志教授和Gerard Roelfes教授展示了通過理性設(shè)計(jì)向蛋白中引入兩種非天然催化位點(diǎn)的方式來構(gòu)建人工金屬酶協(xié)同催化體系，并利用該體系成功實(shí)現(xiàn)了挑戰(zhàn)性的串聯(lián)邁克爾加成/不對(duì)稱質(zhì)子化反應(yīng)。該人工酶設(shè)計(jì)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(jié)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(shè)計(jì)具有高度靈活性，并允許引入其他類型的有機(jī)催化非天然氨基酸，并可以結(jié)合其他金屬配合物。這項(xiàng)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(xué)反應(yīng)中的強(qiáng)大能力，并且非常有潛力擴(kuò)展酶催化非天然反應(yīng)在有機(jī)合成當(dāng)中的應(yīng)用。 本研究為實(shí)現(xiàn)酶催化非天然反應(yīng)提供了有效的方法。相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在國(guó)際期刊《ACS Catalysis》上。江南大學(xué)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(xué)Gerard Roelfes教授為論文的另一共同通訊作者。
