多重选择性卤醇脱卤酶催化剂的创制与应用

郑裕国院士团队柳志强教授在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表手性生物硝化领域突破性进展

来源:生物工程学院 张晓健发布时间:2022-07-29
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手性β-硝基醇是最为重要的硝基化合物之一,是多种医药中间体、生物活性物质和精细化学品合成的关键手性砌块。手性β-硝基醇的绿色制造技术已成为国内外科学家共同关注的热点研究领域。

近日,我校生物工程学院郑裕国院士团队柳志强教授联合遵义医科大学陈永正教授、万南微教授团队通过定向基因挖掘获得了一株新型卤醇脱卤酶,提出了酶分子活性中心卤素结合域静电势调控底物构象理论,建立了生物硝化过程精准控制新策略,实现了手性β-硝基醇高化学选择性、高区域选择性和高立体选择性的高效制备。相关研究成果以“Identification and structure analysis of an unusual halohydrin dehalogenase for highly chemo-, regio- and enantioselective bionitration of epoxides”为题,发表于化工领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》。我校在读博士研究生王慧慧为论文第一作者,柳志强教授为通讯作者,与我校合作多年的遵义医科大学陈永正教授、万南微教授为论文主要作者。研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目的支持。

手性β-硝基醇的合成长期依赖于动力学拆分、不对称还原和不对称Henry反应三条技术路线,均需采用硝基官能化底物,原料价格昂贵,合成工艺复杂,已不能满足绿色化学的发展要求。以廉价原料出发直接硝化制备手性β-硝基醇的新合成技术具有重要研究价值与应用前景。

卤醇脱卤酶可以催化邻卤醇脱卤形成环氧化物,也可以催化亲核阴离子(如N3-CN-OCN-等)介导的环氧开环反应,生成对应的β-取代醇。以卤醇脱卤酶为催化剂,以环氧化物与亚硝酸盐为底物,通过N-亲核开环反应制备手性β-硝基醇具有原料价格低廉、反应条件温和、环境相容性好等突出优势,但已报道的卤醇脱卤酶选择性差,难以实现手性β-硝基醇的精准合成。

柳志强教授长期从事手性医药化学品的生物不对称合成研究,具有丰富的理论知识与实践经验。他带领课题组跳出传统的酶筛选改造思路,深入探索反应过程的化学选择性、区域选择性和立体选择性三重控制原理,建立定向基因挖掘策略,获得一株来源于Acidimicrobiia bacterium的新型卤醇脱卤酶HHDHamb。提出酶分子活性中心卤素结合域静电势调控底物构象理论,通过HHDHamb的晶体结构与分子对接模拟,发现卤醇脱卤酶的卤离子结合区域静电势改变了NO2-的结合构象,导致NO2-的N原子和O原子与底物环氧环的空间距离差异,进而影响N-亲核进攻与O-亲核进攻的选择性,实现了酶的N-进攻开环化学选择性、α-区域选择性与S-选择性的协同控制。在此基础上,进一步构建了pH 5.2 和0.5 ℃的极端生物不对称硝化反应体系,有效抑制了β-硝基醇的消旋化,手性β-硝基醇的分离产率和光学纯度分别达到41%和>99% e.e. (R),实现了手性β-硝基醇的高效、低成本精准合成。


 

卤醇脱卤酶选择性生物硝化分子机制

 

郑裕国院士团队长期致力于生物有机合成技术的创新与应用,主动对接“碳达峰、碳中和”、“健康中国2030”等国家战略,着力进行大宗医药营养化学品的绿色生物制造关键技术开发,取得系列突破性成果,创造了良好的经济、社会与环境效益,受到学界、产业界的广泛关注。在此项工作中,团队深入解析了卤醇脱卤酶化学选择性、区域选择性和立体选择性控制原理,成功构建了一种高性能选择性卤醇脱卤酶催化剂的发现方法,建立了生物硝化制备手性β-硝基醇的酶法合成新策略,丰富了手性C-N键的酶催化构筑方法,为手性β-硝基醇类化合物的绿色生物制造技术展示了良好的研发与应用前景。

 

论文信息:Hui-Hui Wang, Nan-Wei Wan, Run-Ping Miao, Cheng-Li He, Yong-Zheng Chen, Zhi-Qiang Liu* and Yu-Guo Zheng. Identification and structure analysis of an unusual halohydrin dehalogenase for highly chemo-, regio- and enantioselective bio-nitration of epoxides. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202205790.


全文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202205790