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Iminium催化是有机催化中一种重要的反应机制，通过形成Schiff碱中间体，能够有效地加速多种反应，尤其是在Diels-Alder反应中展现了巨大的潜力。然而，在天然酶中，Iminium催化的应用尚未被广泛报道。Diels-Alder反应作为一种经典的[4+2]环加成反应，在复杂天然产物的合成中具有重要作用。尽管许多天然Diels-Alder酶已被发现并进行了研究，绝大多数都通过氢键催化或形状互补机制来加速反应，这些酶的催化机制普遍未涉及Iminium中间体。在有机化学领域，Iminium催化已经被广泛应用于各种环加成反应，尤其是在合成复杂分子时表现出色。然而，这种催化机制在生物催化中的研究仍然相对较少。自然界中是否存在利用Iminium催化机制加速Diels-Alder反应的天然酶，仍然是一个未解之谜。基于此，加利福尼亚大学洛杉矶分校唐奕教授和K. N. Houk教授、中国科学院深圳先进技术研究院周佳海研究员等人合作提出了SdnG催化Diels-Alder反应的策略，实现了酶催化反应速率的显著提升。该研究以“Iminium catalysis in natural Diels–Alderase”为题，发表在《Nature Catalysis》期刊上。唐奕教授，本科毕业于宾夕法尼亚州立大学，在David A. Tirrell教授的指导下完成博士学业，在Chaitan Khosla教授的指导下完成了博士后的工作。他目前是加利福尼亚大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系的校长教授。他获得的奖项包括美国化学工程师协会 （AIChE）Allan P. Colburn奖（2009年）、美国化学学会 （ACS）生物化学技术分会（BIOT）青年研究员奖（2011年）、ACS Arthur C. Cope学者奖（2012年）、EPA总统绿色化学挑战奖（2012年）、NIH DP1主任先锋奖（2012年）、ACS Eli Lilly生物化学奖（2014年）和工业微生物学和生物技术学会Charles Thom奖(2019)。在Nature、Science、Nature Chemical Biology、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Intl. Ed. 、PNAS等高水平专业期刊上发表论文100余篇，H指数46，引用次数1W+。1、本文首次揭示了天然Diels-Alder酶SdnG通过Iminium催化加速Diels-Alder反应的机制，为理解自然界中的Iminium催化提供了新的视角。2、通过X射线晶体学和计算模拟，研究表明SdnG的活性位点赖氨酸（K127）与底物形成Schiff碱中间体，从而促进Diels-Alder反应的发生。3、该研究不仅揭示了天然酶的独特催化机制，还为未来设计Iminium催化的生物催化剂提供了理论基础，具有广泛的工程应用前景。图1 SdnG催化的Diels-Alder反应中的Iminium催化机制图1展示了SdnG催化的Diels-Alder反应中的Iminium催化机制。图中详细说明了酶SdnG如何通过与底物的反应形成Iminium中间体，从而促进Diels-Alder反应。SdnG通过赖氨酸K127残基与底物中的醛基形成Schiff碱中间体（Iminium）。该反应路径通过计算和实验方法得到了验证，并且展示了Iminium催化反应如何通过降低过渡态能量（ΔG‡）来加速反应。在该图的结构示意中，显示了赖氨酸K127如何与底物的醛基发生亲核攻击，形成具有增强电子亲和力的中间体，进而大幅度降低过渡态的能量。这一过程的最大特点是通过氨基酸残基的空间位置和电荷分布，SdnG催化的反应速率得到了约560倍的提升。图中还展示了计算模拟得到的过渡态能量变化，证明了Iminium中间体相较于其他反应中间体更有助于反应的快速进行，进一步揭示了赖氨酸在催化过程中所起的核心作用。图2展示了SdnG与底物类似物3的晶体结构，通过高分辨率的X射线晶体学数据进一步验证了Iminium催化机制的可行性。图中详细描绘了SdnG酶的整体结构以及底物类似物3在酶的活性位点中的结合方式。图中的SdnG蛋白呈二聚体结构，其中每个亚单位的活性位点能够与底物3结合。特别是在底物结合的部分，图中显示了赖氨酸K127与底物的醛基之间的电荷相互作用，帮助底物精确地定位到反应所需的构象。底物类似物3的结合方式揭示了SdnG如何通过多种相互作用（例如氢键、静电作用等）保持底物的稳定性，同时使其处于理想的反应构象。通过进一步分析，图2揭示了SdnG酶的活性位点内有多个氨基酸残基与底物进行相互作用，增强了酶与底物之间的亲和力并促进了反应的发生。图3展示了通过生化实验验证Iminium催化机制的证据。该图通过质谱分析和突变体研究进一步确认了赖氨酸K127在SdnG催化中的关键作用。图中的实验数据表明，当SdnG的K127位点被突变为Ala（K127A）时，酶的催化活性显著下降，表明K127的存在对催化反应至关重要。此外，通过与底物3和产物4的相互作用，图中展示了如何利用NaBH4还原中间体，进一步捕捉并稳定Iminium中间体。质谱分析结果清晰地显示，K127突变体未能形成预期的Iminium中间体，而野生型酶则能够有效地与底物形成Schiff碱中间体。通过这一实验，研究人员不仅验证了赖氨酸K127在Iminium催化中的角色，还揭示了酶催化反应中的关键中间体。图3还进一步展示了突变体在不同条件下的催化活性，突变K127的酶几乎失去了对Diels-Alder反应的催化能力，证明了赖氨酸残基在催化反应中起着无可替代的作用。图4 展示了SdnG催化Diels-Alder反应的作用机制。图中基于计算模拟与实验数据，提出了一种全新的催化机制，阐明了SdnG如何利用赖氨酸K127形成Iminium中间体来降低过渡态能量，从而加速反应。图4通过展示SdnG与底物及产物之间的相互作用，提出了一个具体的反应路径，其中Iminium中间体在反应过程中扮演了重要角色。图中详细分析了通过氢键网络和酶的活性位点形成的催化环境，如何有效地促进底物的定位和反应的顺利进行。通过对比其他催化机制，图4强调了Iminium催化相较于其他机制具有更低的过渡态能量，进而显著提高了反应速率。研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了通过赖氨酸K127和底物形成Iminium中间体能够有效降低过渡态的能量，为反应的快速进行提供了条件。本研究不仅揭示了SdnG在催化Diels-Alder反应中的新机制，还为未来设计基于Iminium催化的生物催化剂提供了理论依据。通过深入的结构和计算分析，研究表明SdnG利用赖氨酸残基形成Iminium中间体，显著加速了反应速率。这一发现为进一步理解自然界中的酶催化机制提供了新的思路，并为生物催化剂的设计和优化提供了新的方向。此外，本文还展示了如何将这一催化策略扩展到其他反应类型，为开发更为高效和可持续的催化方法提供了可能。Iminium catalysis in natural Diels–Alderase. Nature Catalysis, https://doi.org/10.1038/s41929-025-01294-w.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
