Nature：光生物催化氧化偶联立体选择性合成氨基酸

一、 【科学背景】

光生物催化氧化偶联可以在温和条件下实现氧化偶联反应，从而合成具有特定立体选择性的氨基酸。关键是利用光能激发催化剂，使其具有氧化底物的能力。常用的光催化剂包括光敏酶、光敏染料和光敏金属配合物等。这些催化剂可以吸收光能，产生激发态，从而在氧气存在的条件下将底物氧化。在光生物催化氧化偶联反应中，底物通常是具有不同官能团的化合物，比如含有氨基和羧基的化合物。通过选择合适的催化剂和反应条件，可以实现氧化偶联反应，将两个底物的官能团连接起来形成氨基酸。此外，光生物催化氧化偶联反应还可以实现立体选择性合成。通过控制反应条件和催化剂的选择，可以使反应只在特定的位置进行，从而得到具有特定立体结构的氨基酸。

总的来说，光生物催化氧化偶联是一种绿色、高效的合成方法，可以用于合成氨基酸及其他有机化合物。它具有温和反应条件、高立体选择性和可控性等优点，有望在药物合成和有机合成领域得到广泛应用。来自加州圣巴巴拉大学化学与生物化学系和美国宾夕法尼亚州匹兹堡市匹兹堡大学化学系的刘鹏教授和杨扬教授，重新利用吡哆醛-5 ′-磷酸依赖性酶家族苏氨酸醛缩酶，通过自由基机制对甘氨酸和α-支链氨基酸底物进行α-C-H官能化，产生一系列具有多达两个连续立体中心的α-三取代和四取代非经典氨基酸，拥有最多两个连续的立体中心。协同光氧化还原-吡哆醛生物催化为sp³-sp³氧化偶联，提供了一个平台，允许化学或生物学未知的立体选择性分子间自由基转化。以标题为：“Stereoselective amino acid synthesis by photobiocatalytic oxidative coupling”发表在Nature上。

二、【科学贡献】

图1通过协同三重催化循环的光生物催化不对称sp³-sp³氧化交叉偶联。© 2024 Nature

图2 光生物催化不对称sp³-sp³氧化交叉偶联的发现与优化。。© 2024 Nature

图3 用于ncAA合成的光生物催化不对称sp³-sp³氧化偶联。© 2024 Nature

图4 β-甲基ncAAs的对映和非对映选择性合成及α-四取代ncAAs的对映选择性合成。© 2024 Nature

三、【 创新点】

1．为了提高这种对映体会聚氧化sp³-sp³交叉偶联的催化效率和非对映体选择性，使用迭代轮的位点饱和诱变（SSM）和使用内部构建的高通量光化学设备的筛选进行TmTA的定向进化。

2. 使用从TmTA的先前晶体结构制备的theozyme模型进行了密度泛函理论计算（PDB ID，1 LW 5），进一步阐明这种苏氨酸醛缩酶催化氧化偶联的反应机理。

四、【 科学启迪】

在2023年，该团队描述了一种新形式的非天然光生物催化，其中利用可见光光氧化还原催化剂和酶的协同相互作用来开启PLP依赖性色氨酸脱氢酶的非天然自由基反应性，用于丝氨酸和苏氨酸的β-脱羟基交叉偶联。假设，如果另一个不同的α-功能化PLP酶家族，包括苏氨酸醛缩酶，丝氨酸羟甲基转移酶，苏氨酸转醛酶（TTA）及其相关的生物合成酶，可以被重新利用并进化为sp³-sp³氧化偶联，这将能够推进一种前所未有的吡哆醛自由基生物催化模式，用于立体选择性和无保护基合成ncAA，包括带有连续立构中心和α-四取代立构中心的那些，它们仍然在催化不对称合成的范围之外。在这里，本文报告光生物催化的不对称sp³-sp³氧化交叉偶联有机硼试剂和氨基酸之间，该反应需要协同使用工程吡哆醛生物催化剂、光氧化还原催化剂和氧化剂。重新利用吡哆醛-5 ′-磷酸依赖性酶家族苏氨酸醛缩酶，通过自由基机制对甘氨酸和α-支链氨基酸底物进行α-C-H官能化，产生一系列具有多达两个连续立体中心的α-三取代和四取代非经典氨基酸。为化学或生物学未知的立体选择性分子间自由基转化提供了一个新的平台。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07284-5