显示结构的图像

来源:©Rebecca Crawshaw et al/施普林格Nature Limited 2021

显示BH32.14中突变氨基酸位置的结构(用球体表示)

一种工程酶已经被创造出来,用于进行一个众所周知的缓慢的有机反应,它的性能远远超过许多传统催化剂。

该开发将生化技术应用于Morita-Baylis-Hillman (MBH)反应,该反应用于在烯烃和碳亲电试剂(如醛)之间形成碳-碳键,从而生成可用于进一步合成的产品。

但是,尽管MBH在有机合成中非常有用,但与现有的催化剂(通常是小分子亲核试剂,如咪唑)相比,MBH反应非常缓慢,通常需要几天甚至几周才能产生足够数量的产物。相比之下,新设计的酶BH32.14的速度要快几个数量级,而且也是对映选择性的。

结果表明,即使很低浓度的BH32.14酶添加到MBH反应中,也大大优于更大负载的现有催化剂。相比之下,这种反应只需要几个小时而不是几天安东尼绿色他是曼彻斯特大学有机和生物化学教授,也是这项新研究的资深作者。

格林说:“这种反应的典型催化剂是小的亲核试剂。”“生物学的美妙之处在于,如果你能设计一种酶或蛋白质来进行这种反应,那么与小分子化学所实现的任何反应相比,这种反应的速率加速度都是显著的。”

这种新酶是由一种被命名为BH32的计算设计的蛋白质创造出来的,BH32是几年前由生物化学家领导的一个团队开发的大卫•贝克在西雅图的华盛顿大学。贝克是这项最新研究的合著者之一。

MBH反应的化学方案

来源:©Rebecca Crawshaw et al/施普林格Nature Limited 2021

工程酶催化的森田-贝利斯-希尔曼反应

Green解释说,Baker的团队能够成功地设计出用于MBH反应的酶,但所获得的酶作用很弱。格林说:“它们在催化上是有能力的,但不是可行的生物催化剂。”

为了创造BH32.14酶,Green领导的研究人员对Baker团队开发的酶进行了“进化优化”——这是一个应用蛋白质工程技术、自动化和高通量筛选来迭代改进酶的过程,花了近两年时间才完成。现在这种酶的特征已经完全确定,它可以通过为其创造DNA结构并在细菌中表达来快速制造出有用的数量。

BH32.14是迄今为止应用于有机化学的最复杂的设计酶之一。这一进展表明,将酶和其他蛋白质作为催化剂,用于要求苛刻的多步骤过程,如MBH反应。研究人员写道:“新的催化机制可以被设计到蛋白质中,以加速更具挑战性的化学转化。”

蒂姆Bugg华威大学(University of Warwick)生物化学教授、未参与这项研究的李伟杰(peter peter)表示,研究结果证实,BH32.14与现有的小分子催化剂相比表现良好。“由此产生的工程酶可以使用一系列底物催化MBH反应,具有良好的产量和高对映体过剩,”他说。

格林和他的同事所采取的方法显示了酶工程在发现自然界中没有的新催化剂方面的潜力,他说,这种方法“可以用于绿色化学合成方法”。

更正:在2022年1月20日,文章的标题和开场白进行了更新,以更好地反映工程酶对其他催化剂的已知性能。对酶的复杂性及其生产也作了阐述。格林教授的一个职位也被编辑了。