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IF: 16.383！中科院丛志奇团队成果——P450过加氧酶的隧道工程新策略在JACS上发表！

已有 2219 次阅读 2023-3-20 09:43 |系统分类:科研笔记

近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所丛志奇研究员团队报道了一种工程化P450过加氧酶新策略，通过P450酶的水隧道设计来促进H₂O₂进入其内部血红素活性中心，增强P450过加氧酶的催化活性。

相关工作已在线发表于国际权威期刊Journal of the American Chemical Society（《美国化学会志》）。青岛能源所博士生赵盼霞和孔繁慧，以及姜谊平博士为论文共同第一作者，丛志奇研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的大力支持。

IF: 16.383

论文信息

Enabling Peroxygenase Activity in Cytochrome P450 Monooxygenases by Engineering Hydrogen Peroxide Tunnels

J. Am. Chem. Soc. 2023. DOI:10.1021/jacs.3c00195

细胞色素P450单加氧酶是自然界中最重要的氧化酶之一，广泛参与生物体内重要内外源物质的合成与代谢，不但在医学和药学等生命健康领域得到广泛研究，而且其对极具挑战性的惰性碳-氢键选择氧化反应的优异催化能力，也激起合成化学与合成生物学等相关领域科学家的极大兴趣。然而自然界中以氧气（O₂）作为末端氧化剂的绝大多数P450单加氧酶要通过一个复杂的氧化还原系统来实现其催化功能。利用还原态的过氧化氢（H₂O₂）替代O₂将P450从单加氧酶改造为过加氧酶，被认为是开发更为简单实用性P450生物催化剂的一条有效途径。但这面临着绝大多数P450在H₂O₂存在下仅有极弱，甚至没有催化活性的挑战！

近年来，青岛能源所丛志奇研究员带领的单碳酶催化研究组致力于P450过加氧酶的分子设计和创制，在国际上首次提出双功能小分子协同P450催化概念，成功将P450单加氧酶改造为能高效利用H₂O₂的P450过加氧酶（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 7628. Very Important Paper），并通过合作阐明了双功能小分子协同P450过加氧酶的结构基础和催化机理（ACS Catal. 2021, 8774）。研究人员进而结合蛋白质工程技术，先后开发出了H₂O₂驱动的P450丙烷羟化酶（ACS Catal. 2019, 7350）、高度R-对映选择性的P450苯乙烯环氧化酶（Chem. Sci. 2021, 6307）、高效P450过氧化物酶（ACS Catal. 2021, 8449）、碳-氢键的区域和立体多样性羟化P450工程酶（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202215088. Hot Paper）、不饱和烃直接硝化的P450硝化酶（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202217678.）。尽管这些P450酶呈现出具有工业应用潜力的高催化活性，但研究人员发现其高活性大多建立在需要高出底物浓度数倍的H₂O₂投料基础上（理想情况下化学计量比应为1：1），这对更具实用性P450酶催化剂的开发提出了新的挑战。

研究人员利用Caver软件预测出P450酶血红素活性中心与溶剂环境之间的水隧道，并基于计算分析，鉴定出可能影响H₂O₂流入活性中心的隧道入口或瓶颈处的氨基酸残基，结合定点突变和多轮反应筛选，成功将两种NADH依赖型P450单加氧酶（CYP199A4和CYP153AM.aq）改造为工程化P450过加氧酶，工程酶催化活性比野生型酶分别调高183倍和15倍。此外，将上述策略应用到此前开发的双功能小分子协同P450BM3过加氧酶体系，获得预期产物所需H₂O₂浓度被降低了95%以上、且H₂O₂与产物的耦合效率达到95%。

实验结果表明：该研究提出的H₂O₂隧道工程有望成为一个将P450单加氧酶改造为过加氧酶的普适性新策略，为新型P450过加氧酶生物催化剂的开发提供了新的思路和工具，有望进一步拓展P450在合成化学和合成生物学中的应用空间。

丛志奇研究员简介

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丛志奇研究员

中科院青岛生物能源与过程研究所单碳酶催化研究组负责人

丛志奇究员2009年获得日本熊本大学有机化学博士学位。2009年至2016年，先后在日本分子科学研究所、名古屋大学从事科学研究工作，于2015年7月聘任为名古屋大学高级研究员。2016年05月至今，在中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作，担任单碳酶催化研究组负责人。在氯过氧化物酶、髓过氧化物酶、及细胞色素P450单加氧酶的分子机理与人工催化应用体系开发方面做出国际水平的成果。在包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Catal., J. Org. Chem., Inorg. Chem.等国际权威学术杂志发表论文二十余篇。相关成果发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（2018, 7628-7633），被选为VIP论文 (Very Important Paper)和卷首插页（Frontispiece），并被ChemistryViews作为研究亮点报道。担任多个国际期刊审稿人(TOP10最佳审稿人奖, Tetrahedron/Tetrahedron Lett, 2012)。2018年获得青岛市创新领军人才荣誉称号。

作者致谢

理文编辑专家团队为该论文提供润色支持，并受到了作者团队的一致肯定。

理文编辑专家团队深知非英语母语研究人员在英文论文撰写过程中的痛点，论文经理文编辑的专家Adam博士修改以后，表达更为流畅，促进了我们与国际同行的交流。

——论文作者

润色编辑

Suzanne Adam

Inorganic Chemistry

Analytical Chemistry

Chemical Engineering

2017 - PhD Chemistry, Johns Hopkins University

2014 - MA Chemistry, Johns Hopkins University

2012 - BSc Chemistry, Lehigh University

Dr. Adam在无机化学、有机化学、生物启发等化学领域拥有超过7年的研究经验，在合成、电化学、催化、纳米科学、材料/表面科学等分析化学领域以及各种光谱技术方面进行过专门的培训。她还撰写过几份成功的基金申请，并与曾任职过的实验室合作发表研究结果。在其职业生涯中，Dr. Naser还曾在国际会议上发表研究成果，并参与社区推广、教学和课程设计。她对许多科学分支都很感兴趣，而且知识渊博，尤其是涉及环境和能源方面的研究。

Dr. Adam在Journal of the American Chemical Society和Chemical Reviews等具有影响力的同行评审期刊上发表过多篇论文。Dr. Adam以作者名义撰写的所有文章、基金申请、技术文档等都由其自己负责编辑。