科學家提出生物催化新模式，為開發生物催化去飽和化系統奠定基礎，可極大提高藥物研發效率

「為了保證實驗在無氧氛圍下進行，我們嘗試過各種方法，最後從淘寶上買來一個亞克力的箱子，把儀器放進去然後朝裡面不斷鼓氮氣，正是這個看起來比較山寨的裝置，幫助我們完成了機理實驗。」西湖大學葉宇軒教授表示。

近日，他和團隊成功解鎖烯還原酶的一個全新的非天然反應性，這一新反應性能夠解決羰基去飽和化反應中的現有難題。

簡單來說，此成果讓烯還原酶能夠催化一個它們在自然界中原本不會催化的反應，進一步證明了酶催化劑的巨大潛力。

從有機合成的角度來說，本次發展的酶催化的羰基去飽和化反應，不僅能夠避免使用金屬，還能在溫和條件下進行。

更重要的是，此反應具有獨特的立體化學選擇性，使用其他已有的脫氫方法很難得到本次合成的手性產物，同時此反應對於氧化敏感的官能團也有著較強的兼容性。

這些特點都說明這一全新的酶催化方法與已有方法極為互補，在一些特定的應用中相比傳統小分子催化劑有著較大優勢。

未來，如能進一步提高反應效率和選擇性，此反應將有希望進一步應用於更加複雜分子的後期官能團化。

在應用前景上，此反應可以在符合綠色化學的要求下提高藥物研發效率，降低目標分子的合成成本。

人類生活早已無法離開有機合成化學

據葉宇軒介紹，有機合成化學與人類生活息息相關，人類生活中目所能及的所有東西，比如染料、材料、藥物等都是通過有機合成而來。

在傳統觀念中，合成化學往往伴隨著廢水和廢棄物的產生，會對環境造成極大汙染。那些具有化學合成的成分的食品或日用品，通常也被認為是不健康的。

事實上這些觀點並不完全正確，但隨著人們生活水平的不斷提高，合成化學也的確需要朝著更加綠色和高效的方向發展。

酶，是大自然經過億萬年探索之後選擇的催化劑。在某種程度上說，酶可能也是最為高效、綠色的催化劑。

把酶作為催化劑用在有機合成之中去實現「完美合成」，是有機合成化學的前沿研究方向之一。

然而，酶催化劑的最大問題在於存在反應性局限，即能做的事情比較少。

在大自然億萬年的去繁化簡之後，天然酶催化劑只能催化有限的幾類反應，遠遠無法滿足人類生產生活的龐大需求。

但是，酶催化劑的能力要比人類想像的多得多，它還有很大潛力尚未被挖掘出來。

所以，發展酶在大自然中原本不存在全新反應性（即非天然反應性），是讓酶實現更廣泛應用的基礎，也是促進有機合成進入更高層次的重要推力，同時正是該課題組的科研方向之一。

因此，葉宇軒希望本次工作能為解決以下兩個問題提供新思路：

第一，從酶學的角度來說，本次發展的反應是烯還原酶在自然界中不存在的反應。基於此，該團隊希望能夠進一步拓展人們對此類酶的認知，從而讓這類酶實現更廣泛的應用。

第二，從有機合成的角度來說，選擇性羰基去飽和化反應是一類非常重要的有機化學反應。

在過去大約七十年間，為了實現這類反應有機合成化學家已經發展了諸多方法。

但是，目前已有的合成方法都存在一些明顯局限，比如需要在較強氧化性條件下進行反應，需要使用較高當量的金屬催化劑，以及目前尚無針對反應選擇性進行控制的普適性方法。

基於上述現狀，課題組希望發展一種酶催化方法，在綠色的反應條件之下，為上述問題提供解決方案。

從國內某知名酒企借來實驗儀器

如前所述，本次研究旨在發展酶的全新非天然反應性，同時要兼顧本次成果在有機合成中的應用價值。

在這一思路的指導下，他們根據化學原理進行理性設計發現：烯還原酶還有一些此前未得到充分研究的特性，如能實現上述特性，或將解決有機合成中存在的一些問題。

研究中，該團隊首先要解決目標反應在動力學和熱力學的不利性。針對此，他們設計通過加熱來克服反應能壘。

這也讓本次研究對於酶的熱穩定性有著較高要求，於是他們通過文獻調研和基因挖掘，建立了一個由熱穩定性較好的烯還原酶構成的酶庫。

由於課題組所使用的酶的失活溫度在 80℃ 以上，因此即便在較寬溫度區間之內進行反應，也能保證酶的催化活性。

確定目標反應和實現策略之後，他們開始針對目標反應進行初步嘗試。期間，課題組也曾走過一些彎路，但是通過嘗試眾多變量，終於找到了最優的酶以及相對合適的反應條件。

隨後，他們利用定向進化技術對酶催化劑進行改造，經過大概三到四輪的定向進化，找到了最優的酶催化劑，實現了高效的目標反應。

接著，他們開始考察目標反應的可靠性以及檢驗它的應用前景。

期間，課題組利用各種類型的底物，尤其是利用那些已有方法無法良好兼容的底物，來檢驗本次新開發的酶催化劑的能力。通過對比他們發現：此新的催化體系比已有方法有著一些明顯優勢。

在論文的第一輪審稿意見中，有一位審稿人建議課題組進行更加深入的機理研究：做一個停流光譜實驗。

西湖大學儀器平台室剛好有這個儀器，但是由於本次反應體系的特殊性，需要在無氧條件下做實驗，而學校平台的儀器沒有沒放到無氧的手套箱裡面，因此很難達成無氧的實驗條件。於是，才有了文章開頭提到的從淘寶購買亞克力箱子的故事。

同樣是在做停流光譜實驗的時候，該團隊需要使用一個非常特殊的進樣針。但是西湖大學並沒有，甚至葉宇軒聽說全國範圍內也只有三根。

後來，學校的平台老師幫他們各種聯繫，最終調過來兩根讓他們順利完成了實驗。據說其中有一根還是從國內某知名酒企的分析部門借過來的。

「不知道這根進樣針能否給我們的樣品增加一些特殊的香氣。在此也非常感謝平台老師的幫助和支持。」葉宇軒說。

最終，相關論文以《解鎖烯還原酶的逆反應性實現不對稱羰基去脫飽和化》（Unmasking the reverse catalytic activity of ‘ene’-reductases for asymmetric carbonyl desaturation）為題發在 Nature Chemistry（IF 19.20）。Hui Wang 是第一作者，葉宇軒擔任通訊作者 [1]。

總的來說，本次研究為羰基去飽和化反應中的立體選擇性控制提供了新思路。

但是，此類反應還存在位點選擇性控制差等其他問題。因此，他們希望利用本次開發的新反應平台，實現一些位點選擇性獨特的去飽和化反應。

此外，當前的催化體系仍然存在一些局限，對於一些非活化的底物還不能實現高效反應，因此他們計劃對酶開展進一步的挖掘和定向進化，來提高酶催化劑的活力，從而拓展適用的底物範圍。

1.Wang, H., Gao, B., Cheng, H.et al. Unmasking the reverse catalytic activity of ‘ene’-reductases for asymmetric carbonyl desaturation. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01671-1

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