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所內(nèi)動態(tài)

Angew. Chem. | 劉臻課題組開發(fā)基于硅烷轉(zhuǎn)化的生物合成平臺構(gòu)筑硅手性中心

發(fā)布時間:2025/04/07

導(dǎo)讀 ?

Introduction

含硅有機物尤其是具有硅手性中心的化合物近年來在有機合成、功能材料及藥物化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值,但其生物催化合成體系的發(fā)展仍顯著滯后于傳統(tǒng)化學(xué)方法。值得注意的是,盡管硅元素在地殼中的豐度高達28.8%(以二氧化硅和硅酸鹽形式存在),但生命系統(tǒng)對其生物利用卻極為有限,僅有硅藻等少數(shù)生物進化出特異性硅代謝途徑。研究如何利用酶催化過程制備或者轉(zhuǎn)化含硅化合物是合成化學(xué)以及生物催化領(lǐng)域的熱點之一。近年來,相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了重要進展,其中代表性的工作如利用細(xì)胞色素c催化卡賓的硅氫鍵插入反應(yīng),以及利用細(xì)胞色素P450酶催化惰性硅氧烷添加劑中碳硅鍵氧化降解等等。相關(guān)的研究充分證明了酶工程在含硅化合物的制備以及轉(zhuǎn)化方面所具備的應(yīng)用潛力,為發(fā)展綠色可持續(xù)的硅基材料合成技術(shù)開辟了新路徑。

盡管如此,現(xiàn)有生物催化體系尚未見直接構(gòu)建硅手性中心的成功案例。相關(guān)研究表明,許多含硅有機物(如α-硅醇類結(jié)構(gòu))在水溶液中穩(wěn)定性較低,容易發(fā)生分解及消旋化。為了突破這一限制并填補領(lǐng)域空白,本課題開發(fā)了基于P450氧化酶的去對稱化生物催化平臺。通過蛋白質(zhì)工程改造獲得的突變體,其酶活較野生型提高了54倍,可在短時間內(nèi)完成硅烷底物的選擇性氧化,從而有效規(guī)避產(chǎn)物分解與消旋化問題。






202543日,北京生命科學(xué)研究所 / 清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院劉臻課題組與浙江工業(yè)大學(xué)楊云芳團隊合作,在國際期刊Angewandte Chemie International Edition雜志發(fā)表了題為An Enzymatic Platform for Asymmetric Synthesis of Si-Stereogenic Silanols的研究論文。該研究利用源自Bacillus megaterium的野生型P450BM3酶為進化起點,首次實現(xiàn)了含硅手性中心(Si-stereogenic center)硅醇的酶催化合成。作者通過六輪迭代式的定向進化獲得了優(yōu)勢突變體ASOx-6,其催化效率(kcat/KM)較野生型提升54倍,可高效催化潛手性二氫硅烷的單氧化反應(yīng),獲得相應(yīng)的手性硅醇產(chǎn)物。該平臺兼容多種芳基-烷基取代底物(包括含芳雜環(huán)的硅烷),模版底物的總催化轉(zhuǎn)化數(shù)(TTN)可達1,450。此外,通過分子動力學(xué)模擬以及DFT計算的手段,結(jié)合機理實驗,作者系統(tǒng)闡明了該酶催化過程的反應(yīng)機制。

圖1

手性硅醇的去對稱化合成策略




不對稱硅烷氧化酶(ASOx)的定向進化歷程

在研究的起始階段,作者首先對于一系列碳?xì)滏I羥化酶的硅烷氧化活性進行了篩選評估。實驗表明,P450氧化酶對于這一目標(biāo)反應(yīng)不僅具有顯著的初始活性以及中等的手性選擇性,更為重要的是,該催化體系中未檢測到二氫硅烷過度氧化的副產(chǎn)物硅烷二醇3a的生成?;谶@一發(fā)現(xiàn),研究人員隨后利用野生型P450酶作為母體,進行了多輪的定向進化。通過針對多個活性位點的定點飽和突變(site-saturation mutagenesis)以及隨機突變(random mutagenesis),作者最終找到了催化這一反應(yīng)的高活性突變體ASOx-6。在僅使用0.56‰酶載量的條件下,其催化模型底物的效果為81%的收率以及90%的ee值。

圖2

關(guān)鍵酶的篩選與蛋白質(zhì)定向進化




酶催化反應(yīng)的底物探索與合成應(yīng)用

隨后,研究人員對于該酶催化系統(tǒng)的底物適用性進行了系統(tǒng)評估。實驗表明,多種芳基-烷基取代的二氫硅烷化合物可以被 ASOx-6選擇性氧化。底物的兼容性包括芳環(huán)上不同位置與電性的取代基,或者部分含有雜環(huán)的化合物。針對部分中等收率或者較低選擇性的底物,作者并未展開單獨的定向進化,但指出基于蛋白質(zhì)工程經(jīng)驗,可以通過類似的進化策略獲得針對性的突變體。


此外,放大反應(yīng)驗證了該體系的合成潛力:分離的手性硅醇產(chǎn)物經(jīng)由鉑催化的硅氫化反應(yīng),可立體專一性轉(zhuǎn)化為具有生物活性的硅醇衍生物4a以及4b。

圖3

底物適用性拓展與合成應(yīng)用探索




實驗與計算相結(jié)合的機制研究過程

通過DFT計算,作者發(fā)現(xiàn)這一催化過程遵循與經(jīng)典碳?xì)滏I氧化體系相似的機制,包括氫原子攫?。?span style="letter-spacing:normal;">Hydrogen-atom abstraction)以及氧回彈(Oxygen-rebound)等關(guān)鍵反應(yīng)步驟。計算及競爭性KIE實驗確認(rèn)了氫原子攫取為反應(yīng)的產(chǎn)物決定步驟,然而由于硅氫鍵的鍵能顯著低于普通的碳?xì)滏I鍵能,在這一硅烷氧化體系中,該步驟并非反應(yīng)的決速步。分子動力學(xué)模擬對比顯示:野生型P450BM3與最終變體ASOx-6的近攻擊(near-attack)構(gòu)象中,底物的pro-R氫原子均保持與鐵氧中間體較近的距離,而關(guān)鍵突變使pro-S氫在突變體中與氧中心的平均距離增加。這一變化直接決定了最終變體對于該反應(yīng)更優(yōu)的對映選擇性。

圖4

基于密度泛函理論(DFT)進行的機理計算


總的來說,定向進化獲得的高效突變體ASOx-6是反應(yīng)成功的關(guān)鍵。通過開發(fā)這一硅烷不對稱氧化酶催化體系,作者證明了不穩(wěn)定手性硅醇可以通過酶催化的手段獲得,為含有硅手性中心化合物的合成提供了高效、環(huán)境友好且立體可控的生物合成策略,有望在活性分子合成及硅基材料開發(fā)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。


本項目的實驗部分主要由劉臻實驗室研究生代雙玉完成,計算部分主要由浙江工業(yè)大學(xué)的陳俠荷博士完成。劉臻研究員和楊云芳研究員為本文的通訊作者。本研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、浙江省屬高校基礎(chǔ)研究基金、清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院、浙江工業(yè)大學(xué)以及北京生命科學(xué)研究所的資助。


論文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202501524

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