出手就是Nature，黄金搭档再度联手攻克难题！
纳米技术
2020-10-13
在科学界，有很多聊得来的人，往往在科研上能够共同促进，共同进步。加州大学洛杉矶分校唐奕和上海有机化学研究所周佳海就是这样的科研界的黄金搭档。在多年合作过程中，他们在酶催化和天然产物合成等诸多方面取得了系列重要进展，最近他们又一起合作，在Nature报道了酶催化最新进展。第一作者：Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson, Yujuan Cai（共同一作）通讯单位：加州大学洛杉矶分校，中科院上海有机化学研究所化学研究中主要的挑战在于开发能够对复杂分子反应的产物调控，化学工作者通过有机催化剂、过渡金属催化剂对反应的立体选择性，区域选择性，环化反应选择性。自然界中能够通过周环酶（最近发现的一类催化环化反应的酶）进行成环反应选择性控制，但是此类酶催化反应中的产物选择性没有相关研究和实验证据。有鉴于此，基于前期对多功能成环酶LepI的相关研究，加州大学洛杉矶分校K. N. Houk、唐奕，上海有机化学研究所周佳海等报道了两种同族周环酶的催化反应，其中一种能够催化未在生物学中发现的Alder-烯烃反应，另外一种能够进行立体选择的Diels-Alder加成反应。通过计算模拟，作者对通过设计突变酶（mutant enzyme）实现了周环反应选择性在Alder-烯烃、Diels-Alder加成反应之间调控。随后通过结合体内生物化学表征、计算化学、酶的共晶化结构分析、突变酶研究等方法，理解了对反应选择性、环加成反应选择性在特定反应位点产生原因。2017年，作者发现了多功能成环酶LepI，报道了其在催化杂原子Diels-Alder反应、克莱森重排反应中的应用，随后2019年报道了对其多功能酶催化活性产生的原因进行详细研究。SAM-dependent enzyme-catalysed pericyclic reactions in natural product biosynthesisNature, 549, 502–506(2017) DOI: 10.1038/nature23882.Structural basis for stereoselective dehydration and hydrogen-bonding catalysis by the SAM-dependent pericyclase LepI, Nature Chemistry 11, 812–820(2019). DOI: 10.1038/s41557-019-0294-x.根据之前通过化学方法合成消旋pyridoxatin（1）、cordypyridone结果，和作者前期合成leporin 2-pyridone生物碱的工作，作者认为该反应中可能通过形成quinone methide（QM）活性中间体进行Alder-烯反应，生成1的烯基环己烷结构。作者通过相关结构确定的asperpyridone A（2）、fusaricide（3）可能同样经过quinone methide（QM）中间体物种反应验证和进一步发展了相关结果。计算结果显示，Alder-烯反应的放热为-27 kcal mol-1，然而环加成的放热为-38 kcal mol-1，因此Alder-烯反应比Diels-Alder反应更难以发生，成环反应优先选择通过Alder-Alder反应。作者通过量子化学计算对QM中间体的反应过渡态（TS）的结构、能垒进行分析，结果显示反应通过(Z)-QM比(E)-QM的反应有0.4 kcal mol-1的选择性。由于吉布斯自由能的区别，在化学选择性中，反应通过Alder-烯和Diels-Alder反应的比例达到1:9。因此，作者认为成环酶在环选择性中有重要作用。图3. Alder-烯、氧杂Diels-Alder反应中间体计算作者筛选了可能起到调控环化反应选择性的潜在环化酶，发现O-甲基转移酶（O-methyltransferase）可能起到环化酶的作用。随后作者对5号酮分子的合成分别用成环酶方法合成并比较了反应选择性。首先5在PdxG中反应生成醇（6），在加入NADPH后，会进行选择性还原将脂肪链中的羟基消除，生成10号过度还原产物；当在PdxI, AdxI, ModxI, EpiI, UpiI, HpiI条件中继续反应，通过脱水生成(Z)-QM中间体物种。当反应在PdxI, AdxI, ModxI中进行，选择经历Alder-烯反应，生成8号产物；当反应在EpiI, UpiI, HpiI中进行，选择经历氧杂Diels-Alder反应生成9分子产物。总之，这项研究为酶催化调控成环反应选择性提供了全新的思路，为实现复杂分子反应的产物调控带来了新策略。Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson, Yujuan Cai, Dan Tan, Daiki Kanayama, Man-Cheng Tang, Sarah M. Anthony, Jason V. Chari, Joyann S. Barber, Elias Picazo, Thomas B. Kakule, Shugeng Cao, Neil K. Garg, Jiahai Zhou*, K. N. Houk* & Yi Tang*An enzymatic Alder-ene reaction, Nature 2020DOI: 10.1038/s41586-020-2743-5https://www.nature.com/articles/s41586-020-2743-5
