探索一种环保酶来制造关键的化学构件

利用光能激活天然酶可以帮助科学家创造新的酶反应，支持环保生物制造——从植物或其他生物系统生产燃料、塑料和有价值的化学品。

应用这种光酶方法，研究人员开发了一种清洁、有效的方法来合成称为手性胺的关键化学构件，解决了合成化学中长期存在的挑战。

这项研究发表在《自然催化》杂志上，包括来自美国能源部生物能源研究中心先进生物能源和生物产品创新中心(CABBI)的研究人员;伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学与生物分子工程系(ChBE);和中国厦门大学。

该项目由CABBI的张正义领导，他是ChBE教授赵惠民的博士后研究员，也是CABBI的转换主题负责人，也是CarlR.Woese基因组生物学研究所(IGB)的附属机构;以及厦门大学化学化工学院的冯建强和王宾举。

他们的工作重点是加氢胺化，这是一种复杂的化学反应，可用于生产手性胺，在农用化学品和其他产品的合成中具有广泛的应用。该团队开发了一种光酶系统，可以控制对映选择性分子间自由基氢胺化反应中不稳定的以氮为中心的自由基，迄今为止，这一直是化学领域的一个重大挑战。

自由基是具有至少一个不成对电子的原子或分子，这使得它们具有高度化学反应性，因为电子更喜欢成对。

加氢胺化涉及将氨基(与一个或两个氢原子键合的氮原子)添加到不饱和有机化合物中。目前，加氢胺化反应可以通过金属催化剂或光催化剂进行，这些催化剂是用于加速化学反应的物质。

虽然光催化比其他方法具有优势，使用光作为能源，并且无需使用昂贵且有毒的金属，但由于难以控制以氮为中心的自由基，因此它之前尚未应用于手性胺的分子间加氢胺化反应——关键催化过程中的中间体。

为了解决这个问题，研究小组转向天然酶——在生物体中发现的蛋白质，可以催化生物催化过程中的反应。天然酶可以产生和控制各种生物过程的自由基。生物催化的高选择性使研究人员能够部署酶来作用于特定的底物并创造有价值的目标产物。赵的实验室已经成功地利用光催化控制这一过程，以产生新的酶反应性。

在这项研究中，CABBI研究人员选择了烯还原酶，他们之前曾将其与其他底物一起使用以实现不同的反应。他们成功地利用自然光重新利用烯还原酶，以实现具有优异对映选择性(靶向称为对映体的镜像分子的能力)的分子间自由基氢胺化。

“这是一种新的反应，很难用化学催化剂完成，因为我们正在制造手性化合物，并且没有天然酶可以催化该反应，”赵说。“在这项工作中，我们创造了一种人工酶，可以实现这种独特的反应。”

大多数生物化合物，包括DNA分子、氨基酸和许多农用化学品，都是“手性”的，这意味着翻转或镜像的副本不能完全叠加在原始分子的顶部(如左手和右手)。手性在许多农化产品中很重要;例如，在某些除草剂中，一种对映体可能比另一种对映体具有更高的除草活性和选择性。因此，开发有效制备手性分子的方法非常重要。

这些发现对CABBI的研究具有实际应用，以开发将生物能源草的叶子和茎转化为高价值制造产品的有效方法。CABBI研究人员从植物生物质中提取的脂肪酸可以很容易地转化为本研究中使用的不饱和化合物，因此有可能升级为手性胺。

更广泛地说，这种新光酶系统的发现原则上证明了手性胺(其他有价值分子的前体)可以在实验室中由脂肪酸衍生材料生产，从而为生物制造提供了一个有前途的平台。它将进一步研究将脂肪酸升级为手性氨基酸，可用于生产农用化学品和其他分子和材料。

通过与世界各地的研究人员合作，CABBI团队在理解该系统的基本原理方面迈出了一大步，张说：“我很高兴与团队合作研究这一反应，我们相信这将带来涉及以下方面的新发现：以氮为中心的自由基。”

赵希望公司能够使用研究团队开发的新方法来制造他们的产品。

“我们仍然希望继续发现可以被酶催化的新反应，特别是使用CABBI产生的生物质，”他说。