摘要：金属酶（Metalloenzymes）是一类含有金属辅因子的酶，占生物体系中所有酶的近一半，因其能够催化甲烷氧化和氮气固定等复杂反应而广泛应用于能源转化和化学合成等领域。与传统催化体系相比，金属酶具有高选择性和环境友好等优点。然而，在金属酶催化体系中，金属光氧
研究背景
金属酶（Metalloenzymes）是一类含有金属辅因子的酶，占生物体系中所有酶的近一半，因其能够催化甲烷氧化和氮气固定等复杂反应而广泛应用于能源转化和化学合成等领域。与传统催化体系相比，金属酶具有高选择性和环境友好等优点。然而，在金属酶催化体系中，金属光氧化还原催化这一关键反应仍然发展不足，尤其是在非生物反应中的应用存在反应效率低和对映选择性差等问题，因此带来了实现广泛化应用的重大挑战。
成果简介
有鉴于此，霍普金斯大学黄雄怡，卡内基梅隆大学Yisong Guo、赫罗纳大学Marc Garcia-Borràs等人在Nature Catalysis期刊上发表了题为“Merging photoredox with metalloenzymatic catalysis for enantioselective decarboxylative C(sp3)‒N3 and C(sp3)‒SCN bond formation”的最新论文。
该团队成功构建了一种结合光氧化还原和金属酶催化的生物催化平台，用于对映选择性自由基转化。他们设计并优化了一种光生物催化体系，结合曙红Y光催化剂和4-羟基苯丙酮酸加氧酶，在绿色光照射下催化N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯的脱羧叠氮化和硫氰化反应。通过定向进化获得的优化变体，不仅实现了对映选择性C‒N3和C‒SCN键的高效形成，还显著提高了产率（高达77%）和对映选择性（高达94% ee），总周转数达385次。
该研究通过曙红Y催化剂介导C(sp3)自由基和Fe(III)‒N3/Fe(III)‒NCS中间体的生成，在酶活性位点成功捕获自由基并完成高效转化。这一结果不仅扩展了生物催化体系的反应范围，还为将非生物金属光氧化还原催化引入生物体系提供了全新思路。上述研究成果为开发新型手性化合物的绿色合成方法奠定了理论和技术基础，具有重要的学术价值和应用潜力。
近日，霍普金斯大学黄雄怡（Xiongyi Huang）课题组于JACS上报道一种用于生成三氟甲基自由基的新型生物催化体系，从而实现了非血红素铁酶 (AoHMS-CF3) 催化的新型烯烃三氟甲基叠氮化反应。
此外，浙江工业大学杨云芳教授、赫罗纳大学Marc Garcia-Borràs教授、约翰霍普金斯大学黄雄怡教授在金属酶催化新功能拓展方面取得重要进展，研究成果“Engineering non-haem iron enzymes for enantioselective C(sp3)–F bond formation via radical fluorine transfer.”正式发表于《Nature Synthesis》杂志！
该团队于2022年5月19日，发表Science！
研究亮点
1. 实验首次将曙红Y光催化剂与4-羟基苯丙酮酸加氧酶结合，实现了N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯的对映选择性脱羧叠氮化和硫氰化反应。这是金属光氧化还原催化首次在生物催化中的应用，开拓了非生物催化功能的可能性。
2. 实验通过光催化剂和酶的协同作用，获得了高选择性和高效率的催化结果。
3. 高效反应性能：优化后的催化体系可提供高达77%的产率，总周转数达385次，对映选择性（ee）可达94%。
4. 机理研究表明，曙红Y光催化剂能够同时介导C(sp3)自由基和Fe(III)-N3/Fe(III)-NCS中间体的生成，确保了高效的对映选择性C‒N3和C‒SCN键的形成。
图文解读
图1: 脱羧功能化的光生物催化体系设计。
图2: 初始活动发现和定向进化。
图3: 光生物催化脱羧叠氮化和硫氰化的底物范围。
图4: 机理研究。
结论展望
本研究提出了一种适应性策略，通过将光氧化还原驱动的自由基生成与非血红素铁酶介导的对映选择性自由基捕获相结合，开发对映选择性的酶促转化。利用该方法，非血红素铁酶SavHPPD被重新设计用于催化通过曙红Y光催化剂促进的NHPI酯光脱羧反应，从而实现脱羧叠氮化反应。此外，通过用硫氰酸盐代替叠氮化物作为转移配体，该平台在脱羧硫氰化反应中的多功能性也得到了进一步验证。
机理研究表明，该反应通过曙红Y光激发氧化Fe(II)中心为Fe(III)的初始氧化作用开始，随后还原的曙红Y与NHPI酯发生第二次单电子转移（SET），生成C(sp³)自由基。曙红Y催化剂与蛋白质表面的结合将其定位在铁中心20 Å以内，从而实现长距离电子转移。作者预计这种光酶法将通过结合合成光氧化还原催化中的多样化自由基生成方法与金属酶的多功能性和适应性，在生物催化中具有广泛应用。
文献信息
Rui, J., Mu, X., Soler, J. et al. Merging photoredox with metalloenzymatic catalysis for enantioselective decarboxylative C(sp3)‒N3 and C(sp3)‒SCN bond formation. Nat Catal 7, 1394–1403 (2024).
来源：MS杨站长