細胞色素P450單加氧酶（Cytochrome P450 monooxygenase）是一類在自然界中廣泛存在、以亞鐵血紅素為反應活性中心、以分子氧（O₂）為氧化劑的多功能氧化還原酶超家族。P450酶在溫和條件下高選擇性地催化惰性C-H鍵羥化、烯烴環(huán)氧化、雜原子氧化等多種類型反應，在生物化工、有機合成等領(lǐng)域有著巨大的應用潛力。然而P450酶的實際應用依然存在著挑戰(zhàn)：其利用O₂的氧化還原催化過程高度依賴提供電子的輔因子NAD(P)H和輸送電子的還原伴侶蛋白（reduced partner），復雜的蛋白復合物分子機器構(gòu)造降低了P450酶的穩(wěn)定性和催化效率。過氧化氫（H₂O₂）作為綠色氧化劑，在有機合成和化工上都有重要應用價值。在P450酶中使用H₂O₂替代O₂，則不需要輔因子及其復雜的電子傳遞鏈（electron transport chains），從而可以極大簡化P450酶的催化路徑。然而，絕大多數(shù)天然P450酶在H₂O₂存在下的活性都很低甚至沒有活性。

　　圖1.雙功能小分子驅(qū)動的P450過加氧酶和推測的催化機理

　　實際上，自然界中存在著一些可以直接利用H₂O₂的過氧化物酶（peroxidase）和過加氧酶（peroxygenase），它們與P450酶不同之處在于：過氧化物酶和過加氧酶的結(jié)構(gòu)序列中，在活性中心近端有保守的酸堿性氨基酸殘基，可以協(xié)助酶的血紅素鐵活性中心活化H₂O₂?？赡苷沁@種天然的結(jié)構(gòu)差異導致P450酶無法有效活化H₂O₂。針對上述難題，青島能源所研究員叢志奇帶領(lǐng)的單碳酶催化研究組模擬天然過加氧酶的催化機制，把化學直接干預策略與酶分子工程技術(shù)結(jié)合，將P450BM3單加氧酶成功改造為可以直接利用H₂O₂的P450過加氧酶（圖1）。研究人員巧妙地設(shè)計了一類雙功能小分子：一端的咪唑作為“催化功能基團”，另一端為帶有酰基氨基酸的“錨定功能基團”。“錨定基團”通過與P450BM3的多重氫鍵特異識別作用把小分子固定到活性口袋，“咪唑基團”則發(fā)揮酸堿催化作用協(xié)助血紅素活性中心活化H₂O₂。與已有報道的P450過加氧酶相比，該系統(tǒng)對烯烴環(huán)氧化、硫醚亞磺化、芐基型羥化等多種反應顯示出更好的催化活性，為開發(fā)基于P450酶的非天然底物氧化生物催化劑提供了一條新的途徑，同時為通過化學干預手段拓展P450酶的催化活性、功能、應用提供了新的思路，具有十分重要的科學意義和潛在的應用價值。相關(guān)結(jié)果已于2018年3月30日在線發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.，并被選為VIP（Very Important Paper）論文，碩士生馬娜娜、陳置豐、博士生陳杰為該論文的共同第一作者，叢志奇研究員為該論文的唯一通訊作者。

　　以上研究得到了國家自然科學基金、山東省合成生物學重點實驗室、青島能源所啟動基金的大力支持。 （文/圖 叢志奇 陳杰）

　　相關(guān)論文和專利：

　　1. Nana Ma, Zhifeng Chen, Jie Chen, Jingfei Chen, Cong Wang, Haifeng Zhou, Lishan Yao, Osami Shoji, Yoshihito Watanabe, Zhiqi Cong, Dual-Functional Small Molecules for Generating an Efficient Cytochrome P450BM3 Peroxygenase, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, doi: 10.1002/anie.201801592. ( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201801592)

　　2. 叢志奇，陳杰，馬娜娜，陳置豐（2018）一種激活酶催化反應的雙功能小分子化合物及其應用. Chinese patent. 201810126862.7.