一种用于生产手性环丙烷和其他有价值的分子的生物催化剂

细胞色素P450酶具有大众所熟知的自然的氧化催化能力：C-H键羟化、胺氧化、环氧化。这个反应的关键因素是亚铁血红素，它可以结合氧气并且将其激活用于氧化反应中。含有P450的亚铁血红素是一种被熟知的氧化酶，可以在代谢物合成等方面应用。

有研究找到了全新的亚铁血红素酶催化反应类型。由弗朗西斯·阿诺德、佩德罗·科埃略和他们的同事们发表在Science的一篇文章揭露了这个惊人的发现，P450工程酶可以通过卡宾转移至烯烃而催化环丙烷化反应。以重氮作为卡宾的前体，不少的亚铁血红素酶可以将烯烃（如苯乙烯）转化为手性环丙烷。在重氮乙酸乙酯和苯乙烯反应的过程中，不同的酶能产生不同程度的立体结构选择性。通过巨大芽孢杆菌中的细胞色素P450酶进一步研究发现，通过对酶的关键结构的突变提高了反应的产率和立体选择性。苯乙烯上的取代基团可以有多种可能，甚至1-甲基苯乙烯也能够被酶接受。

一个关键的突变位点是轴半胱氨酸，当这个位置的氨基酸转变成丝氨酸或者组氨酸时，能够通过改变亚铁血红素的氧化还原电势，产生更加强的卡宾转化生物催化活性。最优突变酶的酶催化转换数达到了50,000-100,000次，相当于或超越了环丙烷化反应中的铑催化剂。这个反应也不仅局限在碳卡宾转移反应中，阿诺德和他的伙伴们通过使用硫酰叠氮化物和烯烃作为底物时，还发现了氮宾转移反应，产物为氮杂环丙烷，为在C-H键加入而形成手性胺提供了可能性。

重氮化合物和叠氮化物的激活以生成活性的碳卡宾类和氮卡宾类的中间体的反应，在自然界中首次被发现，这个具有重大意义。这些反应可以应用在医药和农药手性环丙烷和磺胺类药物等产品的生产中。这些新的碳卡宾/氮卡宾转移酶非自然催化反应是生物催化领域中的一个重要突破，为金属酶催化反应提供了一个新的选择。这个技术已经由加利福尼亚理工学院注册专利并且独家授权给了Provivi公司用于商业化。

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参考文献：F. H. Arnold, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 9309-9312; F. H. Arnold, E. M. Brustad, Nat. Chem. Biol. 2013, 9, 485- 487; F. H. Arnold, Science 2013, 339, 307-310; F. H. Arnold. Chem. Sci. in press, doi:10.1039/c3sc52535j.

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