米兰官网-定制式卤化：绿色合成药物的新钥匙—新闻—科学网

于化学合成的世界里，卤化反映如同一把精准的手术刀，可以或许于份子骨架上“安装”卤素原子，从而转变化合物的性子，使其于医药、农药等范畴阐扬主要作用。

然而，传统化学卤化要领往往陪同着毒性、污染及低选择性等问题，科学家们一直胡想找到一种绿色、高效且精准的替换方案。

近日，杭州师范年夜学郭瑞庭传授团队与湖北年夜学互助，于《美国化学学会—催化》（ACS Catalysis）上以封面论文的情势发表了一项冲破性研究，经由过程对于一种名为AetF的单组分卤化酶举行理性设计，乐成实现了色氨酸的“定制式”卤化。

这项结果不仅解决了自然酶的固化模式限定，还有初次开发出“一锅法”合成混淆卤代色氨酸的计谋，为绿色生物制造提供了新范式。

从化学卤化到酶催化的改变

卤化于化学与生物合成中饰演着至关主要的脚色。有机卤化物广泛存于在药物及农药中，例如，很多抗生素、抗癌药物及除了草剂都含有卤素原子。

“卤化可以或许于不转变小份子重要架构的环境下，晋升其生物活性与不变性。”论文通信作者郭瑞庭说，卤化可以加强药物份子与靶点之间的彼此作用，或者延伸药物于体内的效期，从而优化药效。

然而，传统化学卤化要领依靠有毒和腐化性气体（如氯气或者溴化试剂），不仅对于操作职员及情况造成风险，还有面对区域选择性差的难题——反映轻易孕育发生多种副产品，纯化历程繁琐且效率低下。

正因云云，科学家们将眼光转向了天然界中的卤化酶，这些酶能于暖和前提下实现高效、精准的催化，防止了化学要领的毛病。

“酶催化是一种暖和无毒的替换计谋，不需要高温高压，反映前提靠近心理情况，且能精准节制卤化的位置，削减废料排放。”论文配合通信作者、杭州师范年夜学传授陈纯琪告诉《中国科学报》，他们所研究的主角AetF来历在蓝细菌，是一种黄素依靠型卤化酶。

与常见的双组分卤化酶差别，AetF是一种单组分酶，它将卤化酶与还有原酶功效集在一身，实现了自给自足。典型的双组分卤化酶需要一个分外的氧化还有原朋友，而AetF自身具备氧化还有原的联合域，不需要分外添加还有原酶，这年夜年夜简化了催化系统，降低了运用成本。

“更值患上一提的是，近期研究发明AetF于反映历程中天生的次卤酸不容易走漏，可以或许更高效地将卤素原子耦合到底物上，这为工业运用提供了显著上风。”陈纯琪说。

然而，自然的AetF存于固有局限。它于催化色氨酸卤化时，会严酷遵照“先C五、后C7”的挨次举行持续加工，终极天生5,7-二卤化色氨酸。这类固化模式源在酶的布局特征，其虽然怪异，却限定了酶的运用——它只能获得双卤化产品，而没法合成单一卤化或者混淆卤化物，这于药物研发中是一年夜挑战。

“由于药物优化往往需要于特定位置引入差别卤素，以邃密调控份子机能。”郭瑞庭说，虽然自然AetF不太好用，但因为其不成替换性——单组分色氨酸卤化酶今朝只有AetF一个，且其自给自足的特征具备巨年夜潜力，“以是咱们筹算经由过程理性设计，冲破自然限定，创造出可定制功效的卤化东西”。

实现“一锅法”绿色合成

“酶的布局是咱们理解这类自然生物催化剂最直接的手腕，也是报酬设计及革新的底子蓝图。”郭瑞庭说，这类以布局为导向的理性设计理念，驱动了整个研究的进程。

于2024年该团队发表的一篇文章中，他们解析了AetF的布局，并不雅察到S523残基突变为丙氨酸后，酶联合C5卤化色氨酸的能力降落，但保留了对于色氨酸C5卤化的活性。

这给了他们灵感——也许经由过程革新活性口袋，能创造出只对于单一名点举行卤化的突变体。

但怎样让AetF“听话”地根据人类指令事情？

他们给出的谜底是，以高分辩率卵白质晶体布局为引导，举行周详的酶工程革新。

论文配合第一作者、杭州师范年夜学副传授黄建文先容，他们起首解析了AetF与底物（色氨酸或者其卤化产品）联合的邃密布局，经由过程X射线衍射技能，直不雅展现了底物于活性口袋中的联合模式。

他们发明，S523被替代为丙氨酸后的突变体其实不完善。它残留了约3~4%的C7卤化活性，于永劫间反映中仍可能孕育发生副产品。为了完全消弭二次卤化危害，他们睁开了“精雕细琢”式的革新。

经由过程布局阐发，他们引入了第二个突变V220I（缬氨酸变为异亮氨酸）及第三个突变L183F（亮氨酸变为苯丙氨酸）。这些突变旨于“重塑”活性口袋，限定了底物翻转后的联合空间。“这个三突变体揭示了近乎完善的C5位单卤化活性，杜绝了二次卤化。”论文配合第一作者、湖北年夜学博士生李豪说。

基在三突变体，他们构想了巧妙的“一锅法”反映方案，半途不消对于产品举行纯化，就实现了混淆卤化色氨酸的高效合成。该要领能高效天生5-溴-7-碘色氨酸及5-碘-7-溴色氨酸，产率别离高达85%及70%，且产品纯度较高。

“这类要领比拟传统分步合成具备显著上风。”陈纯琪注释说，传统化学合成需要多步反映、中间体纯化及掩护/去掩护步调，耗时耗力且污染年夜；而“一锅法”防止了繁琐分散，削减了溶剂及能量耗损，是一种高效的绿色合成计谋。

“更主要的是，它拓展了有机合成的东西箱。”郭瑞庭说，于药物研发中，引入差别卤素（如溴及碘）能对于份子举行周详调控：溴及碘的原子巨细、电子效应及代谢不变性差别，混淆利用可优化先导化合物的机能。例如，一个以色氨酸为骨架的药物份子，其C5及C7位可能别离与靶卵白形成要害作用，经由过程这类合成系统，能快速构建化合物库，筛选最优候选药物份子。

此外，混淆卤化物作为前体，于后续反映中揭示出巨年夜潜力——碘原子反映优先级高在溴，可选择性于碘位点引入新官能团，而不影响溴位点，从而简化合成线路，实现模块化构建繁杂份子。

绿色制造新范式启示将来科研

这项研究不仅是一项技能冲破，更表现了交织学科互助的科学家精力。互助充实阐扬了杭州师范年夜学于布局生物学及湖北年夜学于酶工程方面的上风。

李豪于酶突变体构建、活性检测及反映优化中阐扬了要害作用；黄建文主导告终构解析和机制阐发。这类“布局+功效”的研究模式，加快了从酶设计到机制理解的闭环进程。

陈纯琪说：“这项事情初次实现了使用单组分卤化酶系统‘一锅法’合成混淆型卤化色氨酸，为繁杂卤化份子的绿色生物制造提供了新范式。”这展示了基在布局的理性设计于精准调控酶机能方面的巨年夜潜力，也为开发绿色、经济的药物中间体合成线路奠基了坚实基础。

郭瑞庭说，这切合“双碳”方针与绿色制造趋向，有望于工业出产中削减化学污染。例如，于制药行业，这类计谋可替换高污染工艺，降低废料排放，晋升可连续性。

将来，团队规划将理性设计计谋拓展至其他酶或者反映中。郭瑞庭说，这类基在布局的理性设计计谋，无疑是酶革新的靠得住路径。他们将把这一计谋拓展至其他底物，甚至其它酶类的研究中，从而开发更多具备精准调控、区域选择性或者立体选择性的生物催化剂。

此外，团队还有将交融计较模仿与呆板进修，鞭策“理性设计”到“智能制造”的超过，以实现繁杂份子的绿色、高效、可连续合成。

“酶的布局是咱们理解这类自然生物催化剂最直接的手腕，也是报酬设计及革新的底子蓝图。这项研究揭示了怎样经由过程原子层面的布局信息，理性革新酶的催化举动，从而创造出咱们指望的功效。”郭瑞庭团队的事情证实了“用布局设计转变催化世界”的可能性。

而论文审稿人很是赏识这篇论文，并暗示，以布局生物学的角度来引导酶学的运用和革新长短常使人信服的。这篇文章将对于卤化酶范畴和酶理性设计范畴做出很好的孝敬。

相干论文信息：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c06868