12月24日，記者獲悉，杭州師范大學(xué)郭瑞庭教授團(tuán)隊與湖北大學(xué)合作的一項突破性研究成果，日前在國際期刊《美國化學(xué)會催化學(xué)報》上發(fā)表。他們成功對一種名為AetF的天然鹵化酶進(jìn)行理性設(shè)計，獲得能夠按照指令、在色氨酸分子特定位置進(jìn)行單次鹵化或混合鹵化的新型酶突變體，并首次實現(xiàn)了“一鍋法”高效合成具有重要應(yīng)用價值的混合鹵化色氨酸，為復(fù)雜鹵化分子的綠色生物制造提供了全新的范式。

鹵素，如氯、溴、碘，在自然界和人們的生活中無處不在。在藥物分子中巧妙地引入鹵素原子，常常能顯著改變其生物活性，從而優(yōu)化藥物的療效和性質(zhì)。

然而，傳統(tǒng)的化學(xué)鹵化方法往往依賴于有毒試劑和苛刻的反應(yīng)條件，不僅不夠環(huán)保，也難以精確控制反應(yīng)位點，容易產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)物。面對這些問題，科學(xué)家們將目光投向了自然界中的鹵化酶。

來源于藍(lán)細(xì)菌的AetF，與許多需要“幫手”才能工作的雙組分鹵化酶不同，是一種將鹵化與還原兩種功能集于一身的單組分鹵化酶，其結(jié)構(gòu)更為精簡。然而，天然的AetF有其固定的工作模式：在催化色氨酸鹵化時，它會嚴(yán)格遵循“先在第5位（C5位）、再在第7位（C7位）”的順序進(jìn)行“流水線作業(yè)”，最終生成5,7-二鹵化色氨酸。這種固化的工作模式雖然保證了自然產(chǎn)物的一致性，卻限制了它在人工合成中用于生產(chǎn)特定單鹵化產(chǎn)物或混合鹵化產(chǎn)物的靈活性。

“在此次研究中，我們以高分辨率的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)為‘藍(lán)圖’，對AetF進(jìn)行了精密的理性設(shè)計?！闭撐牡谝蛔髡卟┦可詈肋M(jìn)一步介紹，團(tuán)隊首先解析了AetF與底物色氨酸結(jié)合的精細(xì)結(jié)構(gòu)，通過分析最終鎖定了一個關(guān)鍵殘基S523。當(dāng)將其突變?yōu)楸彼岷螅玫降耐蛔凅wAetF-S523A在C7位的鹵化活性大大降低，變得更傾向于只在C5位進(jìn)行一次鹵化。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這個突變體仍保留了一絲二次鹵化的微弱能力。為了徹底關(guān)閉這一功能，他們進(jìn)一步對底物結(jié)合口袋進(jìn)行了“精裝修”，通過引入體積更大的異亮氨酸和苯丙氨酸殘基，在C5位鹵化后產(chǎn)物周圍巧妙地構(gòu)建起空間位阻，如同設(shè)置了路障，有效阻止了酶對C7位的再次鹵化。

最終獲得的“三突變體”——AetF-AIF，展現(xiàn)出了近乎完美的C5位點特異性單鹵化能力。這是首個通過理性設(shè)計成功改造獲得的、具有嚴(yán)格單鹵化活性的單組分色氨酸鹵化酶。

郭瑞庭介紹：“基于改造成功的AetF-AIF突變體（擅長C5單鹵化）和野生型AetF（擅長連續(xù)C5、C7鹵化），我們構(gòu)思了一個巧妙的‘一鍋法’反應(yīng)策略?！眻F(tuán)隊通過簡單地調(diào)整反應(yīng)體系中鹵素鹽（如溴化鈉、碘化鈉）的添加順序，成功地在同一個反應(yīng)容器內(nèi)，高效合成了兩種不同的混合鹵化色氨酸：5-溴-7-碘色氨酸和5-碘-7-溴色氨酸，產(chǎn)率分別高達(dá)85%和70%。這一過程無需對中間產(chǎn)物進(jìn)行繁瑣的分離純化，大大簡化了合成步驟。另外，這種方法不需使用有毒試劑，并且在室溫25℃條件下的水溶液中即可反應(yīng)，無需高溫高壓，更加環(huán)保。（記者陳曦）

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