想淋漓尽致地释放出“洪荒之力“?你需要TA的帮助

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  生物酶,是具有催化功能的蛋白质。它是生命体中的“精灵”,存在于生物的所有生命活动之中,也是它们赋予了生物的星罗万象和多彩变幻,例如,它们在植物的光合作用发挥重要作用,将二氧化碳神奇地转化为氧气和能量。

  细胞色素 P450 酶(CytochromeP450 monooxygenase),则是生物酶中一类比较特殊的氧化酶,可以算是生物酶中的“高阶精灵”。

  

  P450 酶大概就长这样

  P450 酶是一类在自然界中广泛存在、以亚铁血红素为反应活性中心、以氧分子为氧化剂的多功能氧化还原酶。它广泛参与生物体中激素等内源性化合物的合成,以及环境污染物等外源性物质的代谢降解。

  P450 酶的“特异功能”在于,它们能在温和条件下高选择性地催化惰性 C-H 键羟化、烯烃环氧化、杂原子氧化等多种类型反应。例如,他们可以将“黑乎乎的石油”变成具有使用价值的颜色和香料。因此,P450 酶在生物化工、有机合成等领域也有着巨大的应用潜力。

  虽然 P450 酶如此神奇,但在实际应用中它并不能完全自如地释放出体内的“洪荒之力”。这主要是因为,P450 酶在发挥“神力”的时候必须要看辅因子 NAD(P)H 和电子传递链的脸色。这两位才是 P450 酶力量的源泉呢!不过,NADPH 昂贵高冷,电子传递链复杂娇贵,都不好伺候,所以 P450 酶只能保存实力了。

  那么,怎样才能让 P450 酶摆脱对 NAD(P)H 和复杂电子传递链的依赖,去充分发挥特殊能力呢?科学家们想到了一个行之有效的方式——利用过氧化氢(H2O2)催化。

  

  过氧化氢成本低廉、反应时仅生成水作为副产物,具有环境友好性,因此是 P450 酶最理想的“绿色力量”源泉。但是困难又摆在面前了,绝大多数天然 P450 酶在 H2O2 存在下的活性都很低甚至没有活性,这主要是一般的 P450 酶没有能先天利用 H2O2 的能力。

  认识到上述问题之后,科学家们就开始通过定向进化、定点突变等方式对 P450 酶进行了专项训练。但无奈 P450 酶自身的能力有限,虽然经过了很多努力,还是提升不大。

  

  那么,怎样才能使 P450 酶突破天生的限制,以高效利用 H2O2 来催化呢?

  最近,中科院青岛能源所研究员丛志奇带领的单碳酶催化研究组,就探索出了一种新的方法。

  他们借鉴天然过加氧酶利用 H2O2 的催化机制,将化学直接干预策略与酶分子工程技术相结合,创新性地制造出一个P450 酶的专属“神器“,P450 酶BM3 与这个专属“神器“完美结合,就成为可直接利用 H2O2 的 P450 过加氧酶。

  

  图1 双功能小分子驱动的 P450 过加氧酶和推测的催化机理

  那么这个神奇的专属“神器“是什么呢?它就是具有双功能作用的有机小分子。

  这个专属“神器”又是如何发挥作用的呢?研究人员在双功能小分子的一端,加上了具有高效利用 H2O2 能力的神奇碎片——咪唑;另一端则加上能与 P450 酶 BM3 完美结合的带有酰基氨基酸的锚定碎片。P450 酶 BM3 与此“神器”结合时,锚定元件就融入到 P450 酶 BM3 “心脏”中,而“咪唑基团”则活化了 H2O2, 完成 P450 酶 BM3 的催化氧化。

  此专属“神器”的出世,使得 P450 酶利用 H2O2 催化的能力大大提升,通过对该策略的评价可知,配备“神器”的 BM3 对烯烃环氧化、硫醚亚磺化、苄基型羟化等多种反应显示出了目前报道中 P450 酶利用 H2O2 催化的最好活性,能力显而易见。

  

  这一策略不仅赋予了一般 P450 酶利用 H2O2 进行催化氧化的能力,大大拓展了 P450 酶实际应用的范围,而且为拓展 P450 酶神力-开发基于 P450 酶的非天然底物氧化生物催化剂提供了一条新的途。同时,也为通过化学干预手段拓展 P450 酶的催化活性、功能、应用提供了新的思路,具有十分重要的科学意义和潜在的应用价值。

  来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所

  

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