近日，我校化学化工学院王斌举教授课题组与南京大学化学化工学院黄小强特聘研究员课题组合作，将苯甲醛裂解酶（3CRE）“重塑”为三组分自由基酶，实现了非天然的高对映选择性的三组分自由基偶联反应（图1）。团队通过理论和实验的深度协作，解析了这一复杂催化体系的反应过程以及选择性调控机制。相关研究成果以“Synergistic photobiocatalysis for enantioselective triple radical sorting”为题在线发表于Nature。

图1.光酶催化的三组分自由基偶联反应以及底物谱

自然界中复杂化合物的多组分合成往往需要多个酶的共同催化，如何抑制自然选择的酶天然反应性、利用一个蛋白调控三个不同底物/化学中间体的有序转化，仍然具有很大的挑战性。此外，如何实现三组分自由基光酶偶联反应的立体化学控制，是本研究的重点与难点。针对这些难题，实验团队利用可见光激发和定向进化手段，将苯甲醛裂解酶“重塑”为三组分自由基酶（3CRE），实现了非天然的高对映选择性的三组分自由基偶联反应。同时，理论模拟很好栓释了定向进化是如何解决这些问题，并揭示了突变体对酶反应性和选择性的调控机制。该体系能够组合三个可变的底物，极大丰富了光生物合成的多样性，是光酶领域的一个标志性成果。

计算模拟表明，光催化剂[Ru]复合物能够通过与F283残基形成稳定的π-π相互作用结合在酶活性中心附近，从而能够有效促进电子转移过程以及提高非天然三组分自由基反应的效率。3CRE辅因子硫胺素首先与醛底物1反应生成Breslow中间体（Int. A）。随后激发态的光敏剂[Ru]^*络合物通过单电子氧化中间体Int.A。分子对接和分子动力学模拟表明，活性中心H113残基可以作为碱催化Int. A自由基阳离子（Int. A^•+）的去质子化，生成中间体Int. B。同时，单电子还原的[Ru]^•-络合物进一步介导自由基前体3中C-Br键的还原断裂，生成自由基Int. C进一步与烯烃底物2发生偶联生成自由基Int.D。量子力学/分子力学组合方法模拟进一步阐明Int. D在活性位点内的两种主要结合构象是对映体选择性产生的关键原因。此外，Int.B和Int.D之间的自由基交叉偶联为整个反应的速控步，很好解释了对映选择性的起源以及特定突变对新反应性的影响。

图2.光酶催化的三组分自由基偶联反应机理

该研究的理论计算在王斌举教授的指导下完成，我校化学化工学院 2020级博士冯键强（已毕业，现为福州大学副教授）为论文的共同第一作者，黄小强特聘研究员和王斌举教授为论文的共同通讯作者。理论计算工作得到国家自然科学基金，固体表面物理化学国家重点实验室和福建省理论与计算化学重点实验室计算平台的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08399-5

（化学化工学院）