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普林斯顿大学新闻

Princeton chemists teach an enzyme a new trick, with potential for building new molecules  

普林斯顿大学的化学家们已经找到了一种方法,可以使一种自然产生的酶发挥一种新的、人为的作用,这对现代化学,包括药物生产,具有重要的意义。他们的研究发表在《自然化学》杂志上。

“我们发现了一种全新的方法,可以让酶进行非自然反应,”化学助理教授托德·海斯特(Todd Hyster)说。传统观点认为酶只会做一件事。这篇论文表明,这可能不是对所有的酶都是正确的。更重要的是,本文所描述的策略有可能应用于其他酶家族,这意味着我们将能够使用这种方法来发明全新的酶反应。我认为这有可能改变我们制造分子的方式。”

酶是自然界的催化剂,是使关键的生化反应发生得足够快以维持生命的关键。有机化学家利用这一技术已经有100多年的历史了,但直到现在,它们的应用还很有限,因为单个酶通常只能催化一个单一的反应。

现在,海斯特实验室的研究人员已经把一种酶从它的自然环境中移除,添加了一些新的成分,并成功地使它催化了一种不同类型的化学反应——在那里它表现得出奇的好。

“托德是生物学中发现隐藏的能力的巨大的化学,其中一些可能不是有用的生物,但对我们将是非常有用的,”弗朗西斯·阿诺德说,莱纳斯·鲍林教授的化学工程、生物工程和生物化学在加州理工学院,他并没有参与这项研究。

1979年从普林斯顿大学毕业的阿诺德说:“他证明了酶可以做出许多了不起的事情。”“你所要做的就是问正确的问题。”

海斯特说,关键是简化他们对酶如何催化反应的理解。

海斯特说:“我一直感到惊讶的是,我们简化酶催化的方法竟然有效。”“作为学生,我们被告知酶是非常复杂和特殊的催化剂。每当我们发现它们有能力做一些大自然从未想过的全新的事情时,我们都感到惊讶和兴奋。”

在他们的反应中,研究人员向酶中添加了少量精心挑选的可激发光的染料,并使其充满绿光。凯尔·比加西维茨(Kyle Biegasiewicz)是海斯特实验室的博士后研究助理,也是论文的两位共同第一作者之一。

Biegasiewicz说:“我们发现了酶催化(生物催化)和光氧化还原催化的惊人结合。”

对于化学家来说,得到更多你想要的反应和更少你不想要的反应被称为“选择性”。与大多数小分子催化剂相比,酶具有更强的“选择性”,而这项新技术可以让科学家利用酶进行他们自己想要的反应。海斯特说:“值得注意的是,这种新的转化显示出对以前很难控制的一类反应具有很高的选择性。”

Biegasiewicz说,从本质上讲,他们的突破使一种新的“即插即用”方法成为可能,即使用酶来开启新的催化反应活性,这具有许多令人兴奋的意义。“虽然我不能透露团队中正在进行的项目的任何细节,但我会通知合成社区保持关注——最新的东西真的很酷!”

海斯特说,这项新发现是可见光光催化的另一个方面,它正在改变现代化学。

他说:“在过去的十年里,利用光的方法的发展使催化领域发生了革命性的变化。”他说:“普林斯顿大学在这方面一直是一个推动者。普林斯顿大学的化学教授大卫·麦克米伦、阿比盖尔·多伊尔和罗伯特·诺尔斯都使用小分子催化剂,利用光来做一些不可思议的事情。我们已经证明,光的效用并不局限于小分子催化剂;它还可以扩展酶的用途。我认为这非常简洁。”

该论文的第一作者之一、海斯特实验室的研究生西蒙·库珀(Simon Cooper)说,这种研究思路来自于之前研究中的“面包屑”。其他科学家已经证明,暴露在紫外线下会导致一种名为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的丰富分子的行为发生显著变化。海斯特的团队将这种分子与光敏染料一起添加到酶中。

库柏说:“当暴露在紫外线下时,NADPH可以在一个步骤内从转移两个电子和一个质子转变为先转移一个电子,然后再转移一个氢原子(一个电子和一个质子)。”“我们认为,如果我们能利用酶内的这种新途径,就能发现有价值的新反应。这篇论文中发现的最重要的方面是控制氢原子的转移,从而只产生分子的两种可能镜像形式中的一种。传统上,在两个镜像形式之间进行这种选择对于氢原子的转移来说是非常困难的,这里公开的方法是解决这一挑战的一种方法。”

库珀说:“我们在21世纪进一步推进,如果世界日益增长的人口的舒适体验,我们理所当然的在发达国家,我们将需要更多的成本效益和可持续的形式的化学催化提供的许多产品由于现代的生活方式。我们在论文中披露的方法或许将开始铺平道路。”

“我们的化学似乎是利基或深奥,但这些例子只是作为概念论证能成为强大的方法来制造新的分子,可以切实的社会影响:医药、农用化学品、香水和的例子不胜枚举,”梅根·伊曼纽尔说,研究生在海斯特的实验室和研究报告的合著者。“我们的工作有一天可能会被用来为人们的生活做出有意义的贡献,这一暗示令人兴奋。”

Kyle Biegasiewicz、Simon Cooper、Megan Emmanuel、David Miller和Todd Hyster在《自然化学》2018年6月11日发表的论文《光氧化还原催化烟碱依赖氧化还原酶的催化混杂性》,DOI 10.1038/s41557-018-0059-y。这项工作得到了普林斯顿大学和塞勒学者奖(SSP-2017-1741)的支持。