【科研】日本團隊成功製成碳氫鍵羥基化人工酶，並破解催化機理

據大阪大學、兵庫縣立大學、理化學研究所 (RIKEN) 和科學技術振興機構 (JST) 於12月15日聯合發布的新聞稿報道，由阪大工學研究科大洞光司助教和林高史教授等帶領的研究組，與兵縣大生命理學研究科城宜嗣教授、理研放射光科學綜合研究中心杉本宏特聘研究員一道，

世界上首次闡明錳卟啉烯肌紅蛋白人工酶(myoglobin reconstituted with manganese porphycene,MnPc)室溫下催化惰性碳氫鍵羥基化 （inert C?H bond hydroxylation）的機理,將對豐富天然碳源的有效開發利用又成功推進了一步。

該研究成果已於12月14日發表在化學領域頂端期刊《Journal of the American Chemical Society》上

【1】

。

由於碳氫鍵非常穩定，要打破C?H鍵至少需要95kcal/mol的高能量，所以對自然界豐富碳源的轉化利用至今為止仍有限。催化劑是一類能夠將通常不發生化學反應的原料物質有效地轉化為有用產物的物質。催化劑有多種類型，其中有代表性的是蛋白質酶、利用金屬物體表面的固體催化劑以及納米分子催化劑等。就本研究領域，能夠有效將C?H鍵羥基化成C-OH鍵的催化物備受矚目。尤其能夠在室溫條件下催化單加氧酶反應(將一個氧原子插入到C-H鍵中形成C-OH鍵)的天然生物酶細胞色素P450 (cytochrome P450)得到廣泛研究。已知該酶反應的關鍵是能夠從亞鐵血紅素中搶走電子的高價活性中間體。雖然活性中間體的研究對酶反應機理闡明和酶工程改良意義重大，也可能用於固體催化劑和納米分子催化劑的中間體研究，但活性中間體的反應速度非常快，半衰期極短，另外通常僅在天然酶的蛋白內部容易表達，人工應用非常困難，研究手段極為有限。

另外，已知與細胞色素P450擁有同樣血紅素但結構較為簡單的肌紅蛋白，卻完全沒有催化活性。之前大洞助教和林教授等的研究組，用人工製備的絡合物錳卟啉烯替換血紅素後，首次發現結構簡單的肌紅蛋白也有了催化活性（圖1）

【2】

。但是對於反應活性中間體是如何在室溫下實現碳氫鍵羥基化的還沒有闡明。

圖1 肌紅蛋白的血紅素(ヘム)被替換後製成有催化活性的人工酶(左上角為肌紅蛋白結晶圖)

本次發表的研究中，大洞助教和林教授等的研究組，將人工酶在不存在底物的情況下，與強氧化性的過酸反應，並通過各種分光法觀測鑒定。利用動力學停止流儀系統(stopped-flow apparatus)最終首次確認活性中間體為五價錳氧化物（圖2）。

圖2 對含錳絡合物的人工酶的活性中間體觀測與鑒定示意圖

較之天然酶底物特異性的局限，本研究中的人工酶具有廣譜底物催化性。另外基於對活性中間體的發現，進一步探明惰性碳氫鍵活化的詳細機理，結合計算化學更為合理高效地設計人工酶，以及用於固體催化劑和納米分子催化劑的改造等，都令人充滿期待。

文/ 客觀日本編輯部

＜參考文獻＞

【1】

.Koji Oohora, Hiroyuki Meichin, Yushi Kihira, Hiroshi Sugimoto, Yoshitsugu Shiro and Takashi Hayashi, Manganese(V) Porphycene Complex Responsible for Inert C–H Bond Hydroxylation in a Myoglobin Matrix, J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b11288 

【2】

. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17282-17285.

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