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碳-氢键区域和立体选择性多样化P450过加氧酶体系的构筑及其分子机理研究

批准号:
22107105
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈杰
学科分类:
生物合成化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈杰

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
C-H键的区域和立体选择多样性羟化能实现底物多个不同位点的功能化修饰,对广泛碳氢化合物的高附加值综合利用具有重要意义。但目前策略研究还未实现同一酶工程体系对多个C-H键选择多样性羟化的良好调控。本项目拟在双功能小分子协同P450催化策略基础上,以P450酶催化烷基苯羟化为模式反应进行研究,通过酶的半理性设计与双功能小分子的非共价动态修饰和化学干预作用双重调控有机结合,精细调节底物空腔,实现多个C-H键的特异识别羟化。首先,选取活性中心关键位点进行半理性设计组合突变筛选,然后结合小分子结构优化调控,产生不同位点C-H键的选择多样性;后续通过底物空腔周围特定氨基酸位点的定点突变及迭代突变协同小分子结构微调,实现烷基苯多个C-H键的高效选择多样性羟化;最后利用晶体学和分子动力学模拟来阐明实现不同C-H键选择的分子机理,为构建人工C-H键选择多样性羟化P450调控体系提供理论基础和技术支撑。
英文摘要
Regiodivergent and stereodivergent hydroxylation of multiple C-H bonds can functionally modify different sites of one substrate, which is of great significance for comprehensive utilization of a wide range of hydrocarbons with high added value. However, the current strategies have not been able to achieve a good control to selective divergent hydroxylation of multiple C-H bonds by one enzyme system. On the basis of the Dual-functional small molecule(DFSM) facilitated P450 peroxygenase strategy, we intends to study the hydroxylation of alkylbenzene as a model reaction. Through the combination of semi-rational design and the non-covalent dynamic chemical modification and chemical intervention of rationally designed DFSMs, adjust substrate cavity finely and achieve the selective divergent C-H hydroxylation of alkylbenzene catalyzed by one P450 peroxygenase system. Firstly, screen the combinatorial mutants of the selected key sites close the active center by semi-rational design, then combine the structural control of DFSMs to generate the divergent selectivity of different sites. Further combine site-directed mutation and iterative mutation of key amino acid sites around the substrate cavity with fine-tuning of DFSMs to achieve selective divergent hydroxylation of multiple C-H bonds of alkylbenzene efficiently. Then elucidate the molecular mechanisms of divergent selectivity by crystallography and molecular dynamics simulations. This study will provide theoretical basis and technical support for developing the artificial regiodivergent and stereodivergent C-H hydroxylation P450 system.
实现底物多个不同C-H键的区域和立体选择多样性氧化官能团化修饰,对广泛碳氢化合物的高附加值综合利用具有重要意义。但目前策略研究还未实现同一酶工程体系对多个C-H键选择多样性氧化的良好调控。本项目针对如何高效实现C-H键选择多样性氧化这一关键问题,在前期构建的双功能分子协同P450催化体系基础上,充分发挥酶的半理性设计与双功能分子的非共价动态修饰和化学干预双重调控的独特优势,引入酶结构和双功能分子结构两个调控变量,指导该人工P450过加氧酶体系的分子设计进化,并结合分子动力学模拟、量化计算和晶体学研究,构建C-H键选择多样性氧化新策略,并以此拓展该人工P450过加氧酶策略体系的应用价值。取得主要成果包括:1)通过上述思路,构建双功能分子协同P450共进化酶工程新策略,并首次实现烷基苯半数以上C-H键的高效化学、区域、立体选择性羟化,化学、区域及立体选择性最高均可实现>99%,催化性能远优于目前任何已报道的天然或工程P450酶;2)发挥上述体系优异的烷基苯选择性羟化性能,结合“H2O2隧道工程策略”解决反应H2O2浓度高对催化性能的限制问题,进行全细胞催化体系构建及工艺条件优化,解决操作繁琐,成本昂贵等问题,进而实现S-1-苯乙醇的百毫升规模的高效克级制备(5g),达到目前P450酶制备1-苯乙醇的最优水平;3)利用双功能分子协同P450共进化酶工程新策略,成功开发出多功能P450芳胺氧化酶。其中在N-加氧酶(N-Oxygenase)模式下催化芳胺化合物分别以98%和>99%的选择性生成对应的亚硝基苯和硝基苯;在过氧化物酶模式下,高效生成对应偶氮苯及寡聚体,H2O2耦合效率最高可达100%;4)针对该策略中双功能分子的化学干预与动态调控这一关键调控变量进行深入探究,获得一系列吡啶基双功能分子,创制烯烃烯丙位羟化酶,实现系列直链烷烃和环烷烃的高效选择性氧化。这些结果为开发人工C-H键选择多样性氧化P450新体系提供了新的策略思路,拓展了P450酶化学空间,为开发基于工程化P450过加氧酶的实用性生物催化剂奠定良好基础。
面向手性含氮化合物合成的新型P450不对称碳氮成键酶的分子设计及催化机制研究
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