關于生物催化交叉偶聯光驅動鹵代芳烴羥化脫鹵酶研究

　　近期，中國科學院生物物理研究所核酸生物學重點實驗室研究員王江云與華中科技大學教授鐘芳銳、吳鈺周課題組合作，在JACS上，發表了題為Biocatalytic Cross-Coupling of Aryl Halides with a Genetically Engineered Photosensitizer Artificial Dehalogenase的研究成果。該研究報道了基于該課題組前期設計的一種可以基因編碼的光敏蛋白質，進一步實現了光敏蛋白質吸收光能驅動鹵代芳烴羥化脫鹵反應的功能。

　　苯酚類結構普遍存在于藥物、農藥、材料和天然產物中，此前已報道過多種不同的策略合成此類結構，其中具有吸引力的方法是鹵代芳烴直接羥基化，學界已報道了鈀、銅等金屬作為催化劑，強堿作為羥基源，對鹵代芳烴直接進行羥基化。水作為一種綠色環保的溶劑，具有較大潛力作為羥基來源，目前雖已報道過以水作為羥基來源的鹵代芳烴羥基化研究，但該領域仍存在開發價值，尤其是發展與酶催化水相體系相結合的體系。

　　王江云課題組前期研究發現，通過使用基因密碼子擴展技術可將非天然氨基酸插入熒光蛋白（PSP），從而改造發色團生成具有高還原活性的物種，進一步在蛋白表面特定位置引入三聯吡啶鎳配合物，可驅動二氧化碳光還原（Nat. Chem.，2018；Acc. Chem. Res.，2019），在這些工作中，PSP蛋白表現出優異的光化學性質。基于此，王江云課題組與鐘芳銳、吳鈺周課題組合作設計，對引入PSP-Ni^II(bpy)人工光敏金屬蛋白作為催化劑進行酚類物質的合成進行探索，期望將PSP-Ni^II(bpy)人工光敏金屬蛋白進一步應用于光敏蛋白-金屬協同催化小分子轉化體系。

　　研究人員將對溴苯甲醛作為底物分子，在水相體系中探究了此光敏蛋白催化芳基鹵化物脫鹵與水進行交叉偶聯構建酚類物質的活性，一系列條件優化后發現，PSP-Ni^II(bpy)可實現溫和條件下鹵代芳烴與水的交叉偶聯構建酚類。進一步底物擴展實驗表明，反應體系對不同取代的底物分子均以優異的產率得到相應苯酚類產物，同時也可進一步用于鹵代芳烴脫鹵構建C-N鍵。瞬態光譜實驗表明，在任何條件下，均未觀察到PSP自由基信號，因此，反應過程中可能沒有產生PSP自由基，DIPEA僅作為堿促進產物的形成，PSP光敏蛋白吸收光能后通過能量轉移促進激發態Ni^II復合物的形成，隨后通過還原消除及氧化加成循環，實現酚類產物的合成。通過在PSP蛋白表面不同位點引入Cys突變體，進一步探究其發色團與鎳催化中心之間距離對反應活性的影響，實驗結果表明，當兩者之間距離太大或太小均對反應活性存在較大影響，兩者之間存在最適反應距離。

　　研究人員開發出一種溫和條件下光敏金屬酶催化交叉偶聯反應的策略。這種人工光敏酶可有效整合PSP蛋白及Ni^II(bpy)配合物；可通過精確調控兩者之間的距離，提高反應催化效率，其可將芳基鹵化物高效轉化為苯酚類物質，同時對形成高價值C-N鍵也具有潛力。

　　該研究由生物物理所和華中科技大學合作完成。王江云、生物物理所研究員劉曉紅和鐘芳銳、吳鈺周為論文的共同通訊作者，華中科技大學和生物物理所聯合培養研究生付雨、生物物理所研究生黃健為論文的共同第一作者。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委和中科院的支持，獲得生物物理所蛋白質科研平臺的幫助。

光驅動還原脫鹵酶的設計