研究背景
随着科学技术的不断发展，光生物催化学作为一种新兴领域，因通过利用光能来拓展酶的反应性，从而引起了广泛关注。这种方法将光活性物质与生物催化剂结合起来，为实现一系列新的化学反应提供了可能性。其中，关于光生物催化学的研究重点在于利用光能激发酶的催化活性，以实现一系列手性选择性的C-C键形成反应。然而，尽管在这个领域取得了显著进展，但至今仍存在一些挑战。特别是，在合成有机化学和酶学中，至今仍未解决两种不同亲核试剂之间的氧化C(sp3)-C(sp3)交叉偶联的问题，这限制了一些重要化合物的合成。 针对这一挑战，美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校杨扬教授以及匹兹堡大学刘鹏教授携手提出了一种新的光生物催化策略，旨在实现不对称的sp3-sp3氧化偶联反应。该研究通过合作使用改良的酶催化剂和光催化剂，将有机硼试剂与氨基酸进行偶联反应，从而合成一系列新的手性化合物。这项研究基于对天然酶的理解，并将其功能扩展到新的领域，以实现对新型化学反应的探索。具体地，研究利用了一类特殊的生物催化剂和光催化剂的协同作用，通过光氧化还–吡哆醛生物催化循环，实现了氧化C(sp3)-C(sp3)交叉偶联反应。相关研究在“Nature”期刊上发表了题为“Stereoselective amino acid synthesis by photobiocatalytic oxidative coupling”的最新论文。这种策略不仅实现了两种不同亲核试剂的偶联，还能够以优异的立体选择性合成一系列手性化合物，包括那些具有相邻立体中心和α-四取代立体中心的化合物。
研究内容
图1展示了光生物催化的关键环节和催化循环，旨在实现不对称的sp3–sp3氧化偶联反应。研究者提出了一个合作的三重催化循环，通过光氧化还催化剂和吡哆醛生物催化剂实现。首先，图中的(a)部分概述了两种亲核试剂之间的氧化偶联反应的整体过程。接着，图(b)展示了通过合作光生物催化实现的不对称sp3–sp3氧化偶联。最后，图(c)详细描述了实现该反应所需的三重催化循环。在该循环中，光氧化还催化剂和吡哆醛生物催化剂共同发挥作用，使得氨基酸底物和有机硼试剂之间发生氧化偶联反应。通过光氧化还-吡哆醛生物催化的合作作用，实现了不对称的sp3–sp3氧化偶联反应。这一策略提供了一种新的途径，可以从丰富的构建块中合成具有重要生物活性的非经典氨基酸。这对于开发生物医药领域的新药物或药物前体具有重要意义，同时也为合成化学领域提供了新的合成方法。图1：通过协同三重催化循环的光生物催化不对称sp3–sp3氧化交叉偶联。在图2中，研究者首先评估了不同类型的PLP依赖性酶对反应的影响。通过使用Ru(bpy)3Cl2作为光氧化催化剂，他们发现了在丝氨酸醇甲基转移酶家族中最初的氧化偶联活性。最高的活性观察到与TmTA酶相关，其中利用该酶实现了77%的产率和98.5:1.5的对映选择性。进一步研究还表明，光氧化催化剂的类型和氧化剂的身份对反应的效率也有重要影响。例如，使用(fac)-Ir(ppy)3作为光氧化剂和Co(NH3)6Cl3作为氧化剂时，产率显著提高。此外，研究者还进行了蛋白工程，通过高通量的方法，他们成功地改进了TmTA酶的活性，使其能够更有效地催化反应。 图2. 光生物催化不对称sp3–sp3氧化交叉偶联的发现和优化。而在图3中，研究者进一步探索了该光生物催化反应的底物范围。结果显示，不仅对苄基硼酸酯的取代基可以影响反应的产率和对映选择性，而且对于不同类型的底物，如取代的苄基硼酸酯、烯丙基硼酸酯和未活化的烷基硼酸酯，反应都能有效进行。此外，该反应在1毫摩尔尺度上也表现出良好的可扩展性，为其在大规模合成中的应用提供了潜在可能性。这项研究为开发新的合成方法和生物催化反应提供了重要的理论和实验基础，有望在医药和化学领域中发挥重要作用。图3. 用于ncAA合成的光生物催化不对称sp3–sp3氧化偶联。在图4中，研究者旨在开发一种高效的催化方法，实现对称合成具有连续立体中心的β-甲基非天然氨基酸以及α-四取代非天然氨基酸。首先，他们使用了TmTA和经过定向进化的TmPLPα2，成功实现了对称合成β-甲基非天然氨基酸，例如（2S,3S）-5a，产率为76%、对映比为91:9的高立体选择性（见图4a）。接着，他们展示了TmPLPα1在光生物催化条件下能够有效地催化α-四取代非天然氨基酸的合成，例如8a-8e，产率良好、对映选择性高（见图4d）。这些结果表明，通过光生物催化方法，可以实现高效、高立体选择性的合成，为合成具有生物活性的非天然氨基酸提供了新的合成途径。
图4. β-甲基 ncAA 的对映选择性和非对映选择性合成以及 α-四取代 ncAA 的对映选择性合成。
总结展望
本文展示了光催化和酶催化的协同作用，为合成具有复杂结构的非天然氨基酸提供了一种创新的方法。通过将可见光和酶催化相结合，研究者成功地开发了一种新的催化体系，能够实现氧化型碳-碳偶联反应，合成出具有连续立体中心的β-甲基非天然氨基酸。此外，他们还展示了通过定向进化改造酶催化剂，可以提高反应的催化效率和对映选择性。这项研究为合成具有特定结构和性质的非天然氨基酸提供了一种高效、选择性和可控的方法，有望在药物化学、生物技术和材料科学等领域产生广泛的应用。 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
