摘要：“为了保证实验在无氧氛围下进行，我们尝试过各种方法，最后从淘宝上买来一个亚克力的箱子，把仪器放进去然后朝里面不断鼓氮气，正是这个看起来比较山寨的装置，帮助我们完成了机理实验。”西湖大学叶宇轩教授表示。
“为了保证实验在无氧氛围下进行，我们尝试过各种方法，最后从淘宝上买来一个亚克力的箱子，把仪器放进去然后朝里面不断鼓氮气，正是这个看起来比较山寨的装置，帮助我们完成了机理实验。”西湖大学叶宇轩教授表示。
图｜叶宇轩（来源：叶宇轩）
近日，他和团队成功解锁烯还原酶的一个全新的非天然反应性，这一新反应性能够解决羰基去饱和化反应中的现有难题。
简单来说，此成果让烯还原酶能够催化一个它们在自然界中原本不会催化的反应，进一步证明了酶催化剂的巨大潜力。
从有机合成的角度来说，本次发展的酶催化的羰基去饱和化反应，不仅能够避免使用金属，还能在温和条件下进行。
更重要的是，此反应具有独特的立体化学选择性，使用其他已有的脱氢方法很难得到本次合成的手性产物，同时此反应对于氧化敏感的官能团也有着较强的兼容性。
这些特点都说明这一全新的酶催化方法与已有方法极为互补，在一些特定的应用中相比传统小分子催化剂有着较大优势。
未来，如能进一步提高反应效率和选择性，此反应将有希望进一步应用于更加复杂分子的后期官能团化。
在应用前景上，此反应可以在符合绿色化学的要求下提高药物研发效率，降低目标分子的合成成本。
人类生活早已无法离开有机合成化学
据叶宇轩介绍，有机合成化学与人类生活息息相关，人类生活中目所能及的所有东西，比如染料、材料、药物等都是通过有机合成而来。
在传统观念中，合成化学往往伴随着废水和废弃物的产生，会对环境造成极大污染。那些具有化学合成的成分的食品或日用品，通常也被认为是不健康的。
事实上这些观点并不完全正确，但随着人们生活水平的不断提高，合成化学也的确需要朝着更加绿色和高效的方向发展。
酶，是大自然经过亿万年探索之后选择的催化剂。在某种程度上说，酶可能也是最为高效、绿色的催化剂。
把酶作为催化剂用在有机合成之中去实现“完美合成”，是有机合成化学的前沿研究方向之一。
然而，酶催化剂的最大问题在于存在反应性局限，即能做的事情比较少。
在大自然亿万年的去繁化简之后，天然酶催化剂只能催化有限的几类反应，远远无法满足人类生产生活的庞大需求。
但是，酶催化剂的能力要比人类想象的多得多，它还有很大潜力尚未被挖掘出来。
所以，发展酶在大自然中原本不存在全新反应性（即非天然反应性），是让酶实现更广泛应用的基础，也是促进有机合成进入更高层次的重要推力，同时正是该课题组的科研方向之一。
因此，叶宇轩希望本次工作能为解决以下两个问题提供新思路：
第一，从酶学的角度来说，本次发展的反应是烯还原酶在自然界中不存在的反应。基于此，该团队希望能够进一步拓展人们对此类酶的认知，从而让这类酶实现更广泛的应用。
第二，从有机合成的角度来说，选择性羰基去饱和化反应是一类非常重要的有机化学反应。
在过去大约七十年间，为了实现这类反应有机合成化学家已经发展了诸多方法。
但是，目前已有的合成方法都存在一些明显局限，比如需要在较强氧化性条件下进行反应，需要使用较高当量的金属催化剂，以及目前尚无针对反应选择性进行控制的普适性方法。
基于上述现状，课题组希望发展一种酶催化方法，在绿色的反应条件之下，为上述问题提供解决方案。
从国内某知名酒企借来实验仪器
如前所述，本次研究旨在发展酶的全新非天然反应性，同时要兼顾本次成果在有机合成中的应用价值。
在这一思路的指导下，他们根据化学原理进行理性设计发现：烯还原酶还有一些此前未得到充分研究的特性，如能实现上述特性，或将解决有机合成中存在的一些问题。
研究中，该团队首先要解决目标反应在动力学和热力学的不利性。针对此，他们设计通过加热来克服反应能垒。
这也让本次研究对于酶的热稳定性有着较高要求，于是他们通过文献调研和基因挖掘，建立了一个由热稳定性较好的烯还原酶构成的酶库。
由于课题组所使用的酶的失活温度在 80℃ 以上，因此即便在较宽温度区间之内进行反应，也能保证酶的催化活性。
确定目标反应和实现策略之后，他们开始针对目标反应进行初步尝试。期间，课题组也曾走过一些弯路，但是通过尝试众多变量，终于找到了最优的酶以及相对合适的反应条件。
随后，他们利用定向进化技术对酶催化剂进行改造，经过大概三到四轮的定向进化，找到了最优的酶催化剂，实现了高效的目标反应。
接着，他们开始考察目标反应的可靠性以及检验它的应用前景。
期间，课题组利用各种类型的底物，尤其是利用那些已有方法无法良好兼容的底物，来检验本次新开发的酶催化剂的能力。通过对比他们发现：此新的催化体系比已有方法有着一些明显优势。
在论文的第一轮审稿意见中，有一位审稿人建议课题组进行更加深入的机理研究：做一个停流光谱实验。
西湖大学仪器平台室刚好有这个仪器，但是由于本次反应体系的特殊性，需要在无氧条件下做实验，而学校平台的仪器没有没放到无氧的手套箱里面，因此很难达成无氧的实验条件。于是，才有了文章开头提到的从淘宝购买亚克力箱子的故事。
同样是在做停流光谱实验的时候，该团队需要使用一个非常特殊的进样针。但是西湖大学并没有，甚至叶宇轩听说全国范围内也只有三根。
后来，学校的平台老师帮他们各种联系，最终调过来两根让他们顺利完成了实验。据说其中有一根还是从国内某知名酒企的分析部门借过来的。
“不知道这根进样针能否给我们的样品增加一些特殊的香气。在此也非常感谢平台老师的帮助和支持。”叶宇轩说。
最终，相关论文以《解锁烯还原酶的逆反应性实现不对称羰基去脱饱和化》（Unmasking the reverse catalytic activity of ‘ene’-reductases for asymmetric carbonyl desaturation）为题发在 Nature Chemistry（IF 19.20）。Hui Wang 是第一作者，叶宇轩担任通讯作者 [1]。
图｜相关论文（来源：Nature Chemistry）
总的来说，本次研究为羰基去饱和化反应中的立体选择性控制提供了新思路。
但是，此类反应还存在位点选择性控制差等其他问题。因此，他们希望利用本次开发的新反应平台，实现一些位点选择性独特的去饱和化反应。
此外，当前的催化体系仍然存在一些局限，对于一些非活化的底物还不能实现高效反应，因此他们计划对酶开展进一步的挖掘和定向进化，来提高酶催化剂的活力，从而拓展适用的底物范围。
参考资料：
1.Wang, H., Gao, B., Cheng, H.et al. Unmasking the reverse catalytic activity of ‘ene’-reductases for asymmetric carbonyl desaturation. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01671-1
运营/排版：何晨龙
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来源：科学大家议