南京大学化学化工学院的黄小强研究团队，在光酶催化的探索之路上持续深耕。他们近期的一项突破性成就，是对焦磷酸硫胺素依赖酶进行了创新性改造，并通过与可见光催化的协同作用，成功构建了一个独特的三组分光生物催化体系。这一研究巧妙地将生物学与化学两大领域相融合，不仅打破了天然酶通常仅能催化1-2个底物的传统限制，为绿色生物制造开辟了新途径，同时也为解决化学领域长期存在的手性精准控制难题提供了前所未有的策略。
这一研究成果以“协同光生物催化实现手性三组分自由基精准排序”为题，于2024年11月22日在《Nature》期刊上在线发表。面对手性精准控制的挑战，黄小强团队巧妙地运用可见光激发技术和定向进化策略，将原本的苯甲醛裂解酶“重塑”成为具有全新功能的三组分自由基酶（3CRE）。这一创新不仅实现了一例非自然的高对映选择性三组分自由基偶联反应，还通过深入的机理实验，揭示了这一新功能的化学本质。
该三组分光生物催化体系能够灵活组合多种底物，极大地拓展了光生物合成的多样性和应用范围，堪称光酶领域的一项标志性成就。研究团队以4-苯基基苯甲醛、苯乙烯和溴丙酮作为模板底物，深入探索了[Ru(bpy)3]Cl2•6H2O和ThDP依赖酶的催化机制。通过分子动力学模拟和半理性的迭代位点特异性突变策略，团队对酶进行了精细的进化改造。实验结果显示，T481L和A480G位点的突变显著提升了反应的对映选择性，而Q113H和N283F位点的突变则大幅提高了反应的收率。经过五轮精心设计的突变，团队最终获得了性能最优的突变体。
该体系展现出了卓越的底物耐受性，能够接纳各种取代的芳香醛、杂环芳香醛，以及多种取代基的芳基烯烃、烷基烯烃和烷基自由基前体。文章详细展示了33个成功案例，其中25个案例的对映选择性高达97% ee以上，充分展示了酶可调活性口袋在游离自由基立体化学调控中的精妙作用。
为了深入揭示这一体系的反应机理和高立体化学选择性的来源，研究团队与合作者们紧密协作，综合运用了酶学实验、光化学实验、电子顺磁共振谱学研究和理论计算等多种方法。这些研究不仅揭示了该体系实现三组分反应性的关键所在，也为未来相关领域的研究提供了宝贵的参考和启示。
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08399-5
