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青島能源所開(kāi)發(fā)出丙烷選擇性羥化的人工過(guò)加氧酶系統(tǒng)
小分子烷烴碳-氫鍵的選擇性羥化是長(zhǎng)期以來(lái)面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)，主要瓶頸在于烷烴分子碳-氫鍵的鍵解離能比相應(yīng)醇產(chǎn)物更高，導(dǎo)致傳統(tǒng)的化學(xué)氧化容易產(chǎn)生過(guò)度氧化產(chǎn)物等。雖然自然界中存在可以直接選擇氧化小分子烷烴的天然酶（如甲烷單加氧酶MMO、丁烷單加氧酶BMO、真菌過(guò)加氧酶AaeUPO），但無(wú)論催化效率還是種類數(shù)量都還不能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。開(kāi)發(fā)小分子烷烴碳-氫鍵選擇性羥化的工程酶對(duì)于實(shí)現(xiàn)天然氣的“氣液轉(zhuǎn)化”利用、滿足日益增長(zhǎng)的能源與化工原料來(lái)源需求和環(huán)境保護(hù)都有重要意義。
細(xì)胞色素P450酶是公認(rèn)的多功能生物氧化催化劑，其催化惰性碳-氫鍵選擇性氧化的能力尤其受到關(guān)注，被認(rèn)為具有改造為小分子烷烴羥化酶的極大潛力。過(guò)去十余年來(lái)，多個(gè)知名研究小組已在該領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用蛋白質(zhì)工程和底物誤識(shí)別策略等手段，獲得一系列對(duì)丙烷、乙烷等小分子烷烴具有高選擇性和高活性的P450工程酶。然而，P450酶催化功能的實(shí)現(xiàn)高度依賴還原輔酶NAD(P)H及其復(fù)雜的還原伴侶電子傳遞體系來(lái)活化分子氧，這在一定程度上限制了其體外催化應(yīng)用。
此前，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員叢志奇帶領(lǐng)的單碳酶催化研究組開(kāi)發(fā)出雙功能小分子（DFSM）促進(jìn)的細(xì)胞色素P450（BM3）過(guò)加氧酶催化體系，使其能夠直接利用H2O2實(shí)現(xiàn)對(duì)非天然底物如苯乙烯和苯甲硫醚等的高效氧化，解除了NAD(P)H和電子傳遞體系對(duì)P450酶的限制。
近日，研究人員將上述策略與酶的半理性設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)對(duì)活性口袋關(guān)鍵位點(diǎn)的疊加突變研究，首次成功獲得對(duì)丙烷及其他低碳烷烴（C3-C6）具有高羥化活性和選擇性的工程P450過(guò)加氧酶，其反應(yīng)總轉(zhuǎn)化數(shù)可和已知唯一可利用過(guò)氧化氫氧化小分子烷烴的天然過(guò)加氧酶AaeUPO相媲美，產(chǎn)物生成速率與已報(bào)道的NADPH依賴P450工程酶高效體系相當(dāng)。該研究為開(kāi)發(fā)烷烴小分子碳-氫鍵選擇性羥化的工程酶提供了新途徑和思路。
相關(guān)成果發(fā)表在ACS Catalysis上。博士研究生陳杰為論文第一作者，叢志奇為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、青島市創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃、青島能源所“一三五”重點(diǎn)培育方向、中科院生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。（文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所）
人工P450BM3過(guò)加氧酶系統(tǒng)催化小分子烷烴選擇性羥化
