在科學(xué)界，有很多聊得來(lái)的人，往往在科研上能夠共同促進(jìn)，共同進(jìn)步。加州大學(xué)洛杉磯分校唐奕和上海有機(jī)化學(xué)研究所周佳海就是這樣的科研界的黃金搭檔。在多年合作過程中，他們?cè)诿复呋吞烊划a(chǎn)物合成等諸多方面取得了系列重要進(jìn)展，最近他們又一起合作，在Nature報(bào)道了酶催化最新進(jìn)展。第一作者：Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson, Yujuan Cai（共同一作）通訊單位：加州大學(xué)洛杉磯分校，中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所化學(xué)研究中主要的挑戰(zhàn)在于開發(fā)能夠?qū)?fù)雜分子反應(yīng)的產(chǎn)物調(diào)控，化學(xué)工作者通過有機(jī)催化劑、過渡金屬催化劑對(duì)反應(yīng)的立體選擇性，區(qū)域選擇性，環(huán)化反應(yīng)選擇性。自然界中能夠通過周環(huán)酶（最近發(fā)現(xiàn)的一類催化環(huán)化反應(yīng)的酶）進(jìn)行成環(huán)反應(yīng)選擇性控制，但是此類酶催化反應(yīng)中的產(chǎn)物選擇性沒有相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。有鑒于此，基于前期對(duì)多功能成環(huán)酶LepI的相關(guān)研究，加州大學(xué)洛杉磯分校K. N. Houk、唐奕，上海有機(jī)化學(xué)研究所周佳海等報(bào)道了兩種同族周環(huán)酶的催化反應(yīng)，其中一種能夠催化未在生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的Alder-烯烴反應(yīng)，另外一種能夠進(jìn)行立體選擇的Diels-Alder加成反應(yīng)。通過計(jì)算模擬，作者對(duì)通過設(shè)計(jì)突變酶（mutant enzyme）實(shí)現(xiàn)了周環(huán)反應(yīng)選擇性在Alder-烯烴、Diels-Alder加成反應(yīng)之間調(diào)控。隨后通過結(jié)合體內(nèi)生物化學(xué)表征、計(jì)算化學(xué)、酶的共晶化結(jié)構(gòu)分析、突變酶研究等方法，理解了對(duì)反應(yīng)選擇性、環(huán)加成反應(yīng)選擇性在特定反應(yīng)位點(diǎn)產(chǎn)生原因。圖2. 成環(huán)酶催化反應(yīng)Scheme2017年，作者發(fā)現(xiàn)了多功能成環(huán)酶LepI，報(bào)道了其在催化雜原子Diels-Alder反應(yīng)、克萊森重排反應(yīng)中的應(yīng)用，隨后2019年報(bào)道了對(duì)其多功能酶催化活性產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)研究。SAM-dependent enzyme-catalysed pericyclic reactions in natural product biosynthesisNature, 549, 502–506(2017) DOI: 10.1038/nature23882.Structural basis for stereoselective dehydration and hydrogen-bonding catalysis by the SAM-dependent pericyclase LepI, Nature Chemistry 11, 812–820(2019). DOI: 10.1038/s41557-019-0294-x.根據(jù)之前通過化學(xué)方法合成消旋pyridoxatin（1）、cordypyridone結(jié)果，和作者前期合成leporin 2-pyridone生物堿的工作，作者認(rèn)為該反應(yīng)中可能通過形成quinone methide（QM）活性中間體進(jìn)行Alder-烯反應(yīng)，生成1的烯基環(huán)己烷結(jié)構(gòu)。作者通過相關(guān)結(jié)構(gòu)確定的asperpyridone A（2）、fusaricide（3）可能同樣經(jīng)過quinone methide（QM）中間體物種反應(yīng)驗(yàn)證和進(jìn)一步發(fā)展了相關(guān)結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示，Alder-烯反應(yīng)的放熱為-27 kcal mol-1，然而環(huán)加成的放熱為-38 kcal mol-1，因此Alder-烯反應(yīng)比Diels-Alder反應(yīng)更難以發(fā)生，成環(huán)反應(yīng)優(yōu)先選擇通過Alder-Alder反應(yīng)。作者通過量子化學(xué)計(jì)算對(duì)QM中間體的反應(yīng)過渡態(tài)（TS）的結(jié)構(gòu)、能壘進(jìn)行分析，結(jié)果顯示反應(yīng)通過(Z)-QM比(E)-QM的反應(yīng)有0.4 kcal mol-1的選擇性。由于吉布斯自由能的區(qū)別，在化學(xué)選擇性中，反應(yīng)通過Alder-烯和Diels-Alder反應(yīng)的比例達(dá)到1:9。因此，作者認(rèn)為成環(huán)酶在環(huán)選擇性中有重要作用。圖3. Alder-烯、氧雜Diels-Alder反應(yīng)中間體計(jì)算作者篩選了可能起到調(diào)控環(huán)化反應(yīng)選擇性的潛在環(huán)化酶，發(fā)現(xiàn)O-甲基轉(zhuǎn)移酶（O-methyltransferase）可能起到環(huán)化酶的作用。隨后作者對(duì)5號(hào)酮分子的合成分別用成環(huán)酶方法合成并比較了反應(yīng)選擇性。首先5在PdxG中反應(yīng)生成醇（6），在加入NADPH后，會(huì)進(jìn)行選擇性還原將脂肪鏈中的羥基消除，生成10號(hào)過度還原產(chǎn)物；當(dāng)在PdxI, AdxI, ModxI, EpiI, UpiI, HpiI條件中繼續(xù)反應(yīng)，通過脫水生成(Z)-QM中間體物種。當(dāng)反應(yīng)在PdxI, AdxI, ModxI中進(jìn)行，選擇經(jīng)歷Alder-烯反應(yīng)，生成8號(hào)產(chǎn)物；當(dāng)反應(yīng)在EpiI, UpiI, HpiI中進(jìn)行，選擇經(jīng)歷氧雜Diels-Alder反應(yīng)生成9分子產(chǎn)物。總之，這項(xiàng)研究為酶催化調(diào)控成環(huán)反應(yīng)選擇性提供了全新的思路，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子反應(yīng)的產(chǎn)物調(diào)控帶來(lái)了新策略。Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson, Yujuan Cai, Dan Tan, Daiki Kanayama, Man-Cheng Tang, Sarah M. Anthony, Jason V. Chari, Joyann S. Barber, Elias Picazo, Thomas B. Kakule, Shugeng Cao, Neil K. Garg, Jiahai Zhou*, K. N. Houk* & Yi Tang*An enzymatic Alder-ene reaction, Nature 2020DOI: 10.1038/s41586-020-2743-5https://www.nature.com/articles/s41586-020-2743-5
