科學家利用「仿化」生物催化系統實現烷基酚側鏈的碳氫鍵選擇性氧化

烷基酚是抗氧化劑、洗滌劑、聚合材料、潤滑劑、乳化劑、殺蟲劑和藥物等多種化學品生產中的重要前體。與此同時，烷基酚亦是重點環境污染物，對動物和人類具有顯著毒性和致癌性。烷基酚側鏈的碳氫鍵選擇性氧化一方面對這些環境污染物的生物降解具有重要作用，另一方面對其通過結構衍生化生成心血管疾病治療藥物美多心安，植物天然藥物天麻素、紅景天苷等高值精細化學品也是意義非凡。

近期，中國科學院青島生物能源與過程研究所李盛英團隊攜手中國科學院微生物研究所劉雙江課題組，基於前期從谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）中鑒定的對甲酚（p-cresol）生物降解相關基因簇「cre」，通過體外實驗對該基因簇編碼的CreCDEFGHI七個編碼蛋白的催化功能和酶學特性進行了較為透徹的研究，並成功實現了整條降解途徑的體外重建。首先，對甲酚被雙亞基磷酸化酶CreHI轉化為4-甲基苯基磷酸；然後，4-甲基苯基磷酸的甲基被一種多功能細胞色素P450氧化系統CreJEF連續氧化，生成磷酸化的醇、醛、酸中間產物；最終，上述磷酸化中間產物被磷酸水解酶CreD水解分別生成對羥基苯甲醇、對羥基苯甲醛和對羥基苯甲酸；對羥基苯甲酸可進入微生物中心代謝而被完全降解利用。此外，「cre」基因簇中還含有1個醇脫氫酶（CreG）和1個醛脫氫酶（CreC），這兩個酶的存在進一步加強了對甲酚的降解效率。

在對甲酚降解過程中，Cre生物催化系統所展示的磷酸基團「裝載」（CreHI）、磷酸化中間體氧化（CreJEF、CreG和CreC）和磷酸基團「卸載」（CreD）與化學氧化策略通常採用的基團保護、中間體氧化和基團去保護的整個過程不謀而合。這種「仿化」（chemomimetic）生物催化方式在自然界中極為罕見，如能將這一策略的普適性與生物氧化的高選擇性結合起來，將為「碳氫鍵選擇性氧化」這一世界性難題做出重要貢獻。

為了拓寬這一生物催化系統的底物選擇性，李盛英團隊與所內馮銀剛團隊合作，首先對該系統的核心催化劑——P450單加氧酶CreJ與其底物對甲酚進行了共晶解析。在充分理解CreJ催化機理和底物選擇性的基礎之上，研究人員選取了10種不同類型的烷基酚進行選擇性氧化，發現該生物催化系統可以成功實現對位和間位取代烷基酚的選擇性氧化，催化過程涉及羥化、脫氫和碳碳鍵斷裂等多種氧化反應類型。其中，CreJ催化的對乙酚和間乙酚的苄位羥化實現了完美的立體選擇性，這在化學催化上是極難實現的。以對乙酚為案例，研究人員通過共晶結構解析完美地闡釋了CreJ位點和立體選擇性的分子基礎；通過調控反應條件，他們還成功實現了對乙酚多種氧化產物的選擇性合成。

值得一提的是，上述「仿化」生物催化系統不僅能夠對烷基酚進行選擇性氧化，而且還能實現非芳碳鏈的選擇性氧化，因而具有良好的底物寬泛性，具有廣闊的實際應用前景。此外，生物信息學分析顯示類似的生物催化系統存在於多種微生物中，這將為未來進一步開發具有所需底物偏好性、氧化選擇性和催化效率的生物系統氧化提供了更廣泛的來源。

1. Lei Du, Li Ma, Feifei Qi, Xianliang Zheng, Chengying Jiang, Ailei Li, Xiaobo Wan, Shuang-Jiang Liu, and Shengying Li, Characterization of a unique pathway for 4-cresol catabolism initiated by phosphorylation in Corynebacterium glutamicum. Journal of Biological Chemistry, 2016. 291(12): p. 6583-6594.

2. Lei Du, Sheng Dong, Xingwang Zhang, Chengying Jiang, Jingfei Chen, Lishan Yao, Xiao Wang, Xiaobo Wan, Xi Liu, Xinquan Wang, Shaohua Huang, Qiu Cui, Yingang Feng, Shuang-Jiang Liu, and Shengying Li, Selective oxidation of aliphatic C-H bonds in alkylphenols by a chemomimetic biocatalytic system. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017. Published ahead of print June 12, 2017, doi:10.1073/pnas.1702317114.

3. 李盛英, 杜磊, & 劉雙江 (2016) 一種酚類化合物氧化的生物催化系統及其應用. Chinese patent. 201610015698.3.

科學家利用「仿化」生物催化系統實現烷基酚側鏈的碳氫鍵選擇性氧化

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