人工金屬催化酶設計

金屬酶在原子轉移反應中占有重要地位。自?21?世紀初開始，人工金屬酶設計迅速發(fā)展，并從水解反應等天然催化反應擴展至碳-碳鍵連接、氧轉移反應等非天然酶催化原子轉移反應。例如，上述的?Diels-Alder?反應中，人工金屬酶催化?Diels-Alder?反應的立體選擇性和反應活性已與化學催化劑相當。此外，相對于天然酶，金屬酶的底物范圍明顯增大。2011?年，Kuhlman?課題組偶然發(fā)現(xiàn)，在同源二聚體界面處計算設計的?Zn(Ⅱ)?結合位點可有效催化羧酸酯和磷酸酯水解。隨后，他們在?rabenosyn?蛋白的?Rab4?結合域引入組氨酸與?Zn(Ⅱ)?配位，該復合體對?4-?硝基苯基乙酸酯的水解速率提升了?5?個數(shù)量級。除了活性位點結構優(yōu)化外，化學連接法也是人工金屬酶設計的可行策略。Rovis?課題組讓生物素?Rh(Ⅲ)?配位復合物與鏈霉親和素結合，構建出用于活化?C-H?鍵的人工金屬酶，催化速率提升了100?倍，并具有?93%?的對映選擇性。此外，正如?Alexandrova?課題組在綜述中所述，金屬酶進化過程除了受反應活性等因素影響外，還受金屬可用性和毒性影響。在這些限制因素下，金屬催化劑并非一定達到其最佳催化性能。因此，利用新型金屬代替固有金屬催化劑改善酶的催化性質(zhì)為金屬酶分子設計提供了新思路。Itoh?和?Fujieda在分子動力學模擬的基礎上，利用銅離子取代?β-?內(nèi)酰胺酶的雙鋅離子結合部分，制備了人工雙銅氧化酶。與野生型?β-?內(nèi)酰胺酶相比，這種銅取代氧化酶的三重突變體催化?4-?叔丁基羧酸酯的?k_cat/K_M值增加了?87?倍。