具有能量轉移作用機制的手性催化人工光酶誕生

近日，華中科技大學化學與化工學院教授鐘芳銳、吳鈺周團隊與西北大學教授陳希合作，利用合成生物學前沿技術對蛋白進行化學改造，引入了自然界不存在的光催化劑，創造了世界上首個具有能量轉移作用機制的手性催化人工光酶。

日前，相關研究成果在《自然》刊發。吳鈺周、鐘芳銳和陳希為本文的共同通訊作者，華科大化學與化工學院博士生孫寧寧和黃建建為共同第一作者，華科大學為該論文的第一作者單位。

酶作為一種具有生物催化作用的蛋白質，幾乎所有的生命活動都需要它的參與，日常生活中更是隨處可見。如洗衣服主要靠酶實現去污；奶酪靠加入凝乳酶來使牛奶凝結等。然而，這些酶是自然界中本來就有的，能夠作用的對象也都是天然的油脂、淀粉、蛋白質等。在生產生活中，更多的合成化學品，如各種合成新材料、化學藥品等，都無法通過酶來生產，也不能夠被酶降解。

隨著人們對生態環境和綠色可持續發展的重視，用更加貼進自然的酶來加工合成化學品、替代傳統的高污染高能耗的化學生產方式，正在成為新的發展趨勢。這就要求更多的酶能夠適應非天然產品的合成和生產。

鐘芳銳、吳鈺周團隊創造的人工光酶突破了酶只能用于天然產物生產的局限性，使酶能夠用于化學藥物、新材料等更多非天然合成化學品的生產。人工光酶集成了化學催化劑的獨特反應性和生物催化劑的專一選擇性兩者的優勢，為解決手性光反應這一挑戰性難題提供了一種全新的策略。

“在篩選的初期，誰也不知道能否獲得理想的酶，這考驗著研究者是否有堅定的信念和抗壓能力，只有長期堅持不懈的嘗試和耐心細致的數據分析才能創造出最終理想的酶。”鐘芳銳表示，由于這是一種未知的新反應類型，即使目前最先進的計算模擬算法也無法準確預測。對此，研究團隊投入了多個研究小分隊，分別構建了多個從理論模擬角度比較有希望的蛋白質，并基于實驗室已經構建的大量光化學反應的底物庫，對“種子選手”進行了大量的篩選。

找到其中有希望的蛋白骨架和反應類型，只是“萬里長征的第一步”。吳鈺周坦言：研究的另一個挑戰在于需要打破學科邊界的壁壘，用到有機合成、基因工程、蛋白質工程、結構生物學和酶理論計算等多個學科的理論知識和技術方法。而這個過程無形中也充分發揮了學生個性化學科背景特點。

“我們課題組里的很多同學都有交叉學科背景。在整個研究過程中，我們相互學習、取長補短，既顯著拓寬了團隊每一位成員的跨學科知識，也讓研究不斷取得進展。”團隊成員孫寧寧說道。

據了解，該項目自2019年開展，華科大也成為國內較早提出這樣研究思路的高校之一。近年來，將合成理念與生物機制相結合的研究方向被認為是未來合成化學發展的重要趨勢，正在受到越來越多的重視。

“我國在這方面研究的起步雖然略晚于國際，但目前也有大量學者投入了相關研究并取得了一定成果，應該說已經可以和國際研究水平并駕齊驅。”鐘芳銳說。

據了解，開發具有非天然催化活性的酶是綠色生物制造產業能夠從天然產物生產拓展到非天然化學品生產的關鍵。未來，越來越多的化學品將有望利用酶催化的方式來生產，傳統印象中煙囪林立的化工廠，有可能越來越多地被溫和綠色的生物加工方式所取代。綠色生物制造能耗低、無毒無害、對環境更加友好，將成為未來化學工業發展的新趨勢，對于我國走新型工業化道路,實現財富綠色增長和社會經濟可持續發展具有重大戰略意義。