研究背景
隨著科學技術的不斷發展，光生物催化學作為一種新興領域，因通過利用光能來拓展酶的反應性，從而引起了廣泛關注。這種方法將光活性物質與生物催化劑結合起來，為實現一系列新的化學反應提供了可能性。其中，關于光生物催化學的研究重點在于利用光能激發酶的催化活性，以實現一系列手性選擇性的C-C鍵形成反應。然而，盡管在這個領域取得了顯著進展，但至今仍存在一些挑戰。特別是，在合成有機化學和酶學中，至今仍未解決兩種不同親核試劑之間的氧化C(sp3)-C(sp3)交叉偶聯的問題，這限制了一些重要化合物的合成。 針對這一挑戰，美國加利福尼亞大學圣芭芭拉分校楊揚教授以及匹茲堡大學劉鵬教授攜手提出了一種新的光生物催化策略，旨在實現不對稱的sp3-sp3氧化偶聯反應。該研究通過合作使用改良的酶催化劑和光催化劑，將有機硼試劑與氨基酸進行偶聯反應，從而合成一系列新的手性化合物。這項研究基于對天然酶的理解，并將其功能擴展到新的領域，以實現對新型化學反應的探索。具體地，研究利用了一類特殊的生物催化劑和光催化劑的協同作用，通過光氧化還–吡哆醛生物催化循環，實現了氧化C(sp3)-C(sp3)交叉偶聯反應。相關研究在“Nature”期刊上發表了題為“Stereoselective amino acid synthesis by photobiocatalytic oxidative coupling”的最新論文。這種策略不僅實現了兩種不同親核試劑的偶聯，還能夠以優異的立體選擇性合成一系列手性化合物，包括那些具有相鄰立體中心和α-四取代立體中心的化合物。
研究內容
圖1展示了光生物催化的關鍵環節和催化循環，旨在實現不對稱的sp3–sp3氧化偶聯反應。研究者提出了一個合作的三重催化循環，通過光氧化還催化劑和吡哆醛生物催化劑實現。首先，圖中的(a)部分概述了兩種親核試劑之間的氧化偶聯反應的整體過程。接著，圖(b)展示了通過合作光生物催化實現的不對稱sp3–sp3氧化偶聯。最后，圖(c)詳細描述了實現該反應所需的三重催化循環。在該循環中，光氧化還催化劑和吡哆醛生物催化劑共同發揮作用，使得氨基酸底物和有機硼試劑之間發生氧化偶聯反應。通過光氧化還-吡哆醛生物催化的合作作用，實現了不對稱的sp3–sp3氧化偶聯反應。這一策略提供了一種新的途徑，可以從豐富的構建塊中合成具有重要生物活性的非經典氨基酸。這對于開發生物醫藥領域的新藥物或藥物前體具有重要意義，同時也為合成化學領域提供了新的合成方法。圖1：通過協同三重催化循環的光生物催化不對稱sp3–sp3氧化交叉偶聯。在圖2中，研究者首先評估了不同類型的PLP依賴性酶對反應的影響。通過使用Ru(bpy)3Cl2作為光氧化催化劑，他們發現了在絲氨酸醇甲基轉移酶家族中最初的氧化偶聯活性。最高的活性觀察到與TmTA酶相關，其中利用該酶實現了77%的產率和98.5:1.5的對映選擇性。進一步研究還表明，光氧化催化劑的類型和氧化劑的身份對反應的效率也有重要影響。例如，使用(fac)-Ir(ppy)3作為光氧化劑和Co(NH3)6Cl3作為氧化劑時，產率顯著提高。此外，研究者還進行了蛋白工程，通過高通量的方法，他們成功地改進了TmTA酶的活性，使其能夠更有效地催化反應。 圖2. 光生物催化不對稱sp3–sp3氧化交叉偶聯的發現和優化。而在圖3中，研究者進一步探索了該光生物催化反應的底物范圍。結果顯示，不僅對芐基硼酸酯的取代基可以影響反應的產率和對映選擇性，而且對于不同類型的底物，如取代的芐基硼酸酯、烯丙基硼酸酯和未活化的烷基硼酸酯，反應都能有效進行。此外，該反應在1毫摩爾尺度上也表現出良好的可擴展性，為其在大規模合成中的應用提供了潛在可能性。這項研究為開發新的合成方法和生物催化反應提供了重要的理論和實驗基礎，有望在醫藥和化學領域中發揮重要作用。圖3. 用于ncAA合成的光生物催化不對稱sp3–sp3氧化偶聯。在圖4中，研究者旨在開發一種高效的催化方法，實現對稱合成具有連續立體中心的β-甲基非天然氨基酸以及α-四取代非天然氨基酸。首先，他們使用了TmTA和經過定向進化的TmPLPα2，成功實現了對稱合成β-甲基非天然氨基酸，例如（2S,3S）-5a，產率為76%、對映比為91:9的高立體選擇性（見圖4a）。接著，他們展示了TmPLPα1在光生物催化條件下能夠有效地催化α-四取代非天然氨基酸的合成，例如8a-8e，產率良好、對映選擇性高（見圖4d）。這些結果表明，通過光生物催化方法，可以實現高效、高立體選擇性的合成，為合成具有生物活性的非天然氨基酸提供了新的合成途徑。
圖4. β-甲基 ncAA 的對映選擇性和非對映選擇性合成以及 α-四取代 ncAA 的對映選擇性合成。
總結展望
本文展示了光催化和酶催化的協同作用，為合成具有復雜結構的非天然氨基酸提供了一種創新的方法。通過將可見光和酶催化相結合，研究者成功地開發了一種新的催化體系，能夠實現氧化型碳-碳偶聯反應，合成出具有連續立體中心的β-甲基非天然氨基酸。此外，他們還展示了通過定向進化改造酶催化劑，可以提高反應的催化效率和對映選擇性。這項研究為合成具有特定結構和性質的非天然氨基酸提供了一種高效、選擇性和可控的方法，有望在藥物化學、生物技術和材料科學等領域產生廣泛的應用。 Wang, TC., Mai, B.K., Zhang, Z. et al. Stereoselective amino acid synthesis by photobiocatalytic oxidative coupling. Nature 629, 98–104 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07284-5
