- 南京大學(xué)潘惠杰/西安交大黃鋼鋒JACS：利用仿生配合物與脫輔酶重組揭示單鐵氫酶金屬輔因子上甲基的功能
- 發(fā)布日期：2025-07-02
近日，南京大學(xué)潘惠杰特聘研究員與西安交通大學(xué)黃鋼鋒教授合作，通過(guò)設(shè)計(jì)一系列 FeGP 模型配合物（2?4），系統(tǒng)研究了吡啶配體上 3-甲基和 5 -甲基的作用。其中，使用模型配合物4與脫輔酶重組得到的人工半合成單鐵氫酶（jHmd-4）的正向（forward，氫化）與反向 (reverse，脫氫)反應(yīng)活性分別為38.5 ± 2.7和 33.5 ± 2.5 U·mg-1，其活性約為天然單鐵氫酶的8%，是目前為止活性最高的人工半合成單鐵氫酶。
氫酶是一類(lèi)能夠催化氫分子可逆生成和裂解的生物催化劑，目前已知的氫酶根據(jù)其活性中心金屬不同可以分為三大類(lèi)：鎳鐵氫酶、鐵鐵氫酶和單鐵氫酶。發(fā)現(xiàn)最晚的單鐵氫酶在催化中心結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制上與其他兩類(lèi)氫酶具有明顯區(qū)別。首先，在結(jié)構(gòu)上，單鐵氫酶的金屬活性中心只有一個(gè)二價(jià)鐵離子，而且不含有傳遞電子的鐵硫簇。其次，單鐵氫酶的單金屬活性中心可以直接異裂氫氣生成Fe-H中間體，進(jìn)而轉(zhuǎn)移氫負(fù)離子到底物上，該過(guò)程與傳統(tǒng)貴金屬氫化催化劑類(lèi)似。這樣的催化機(jī)理使其有望應(yīng)用于不對(duì)稱(chēng)氫化領(lǐng)域。
然而，天然單鐵氫酶僅存在于產(chǎn)甲烷古菌中，需要通過(guò)厭氧發(fā)酵，并在無(wú)氧條件下經(jīng)過(guò)分離純化得到。這個(gè)過(guò)程復(fù)雜且低效。此外，由于來(lái)源于古菌，對(duì)該酶進(jìn)行突變和定向進(jìn)化的基因操作也極具挑戰(zhàn)。以上這些因素導(dǎo)致單鐵氫酶的大規(guī)模培養(yǎng)和改造困難，嚴(yán)重限制了該酶的研究與應(yīng)用發(fā)展。
人工半合成策略通過(guò)將大腸桿菌 (E. coli) 異源表達(dá)的脫輔酶（apoenzyme）與有機(jī)合成的金屬輔因子仿生配合物（model complex）體外重組，得到具有催化活性的半合成單鐵氫酶（semisynthetic [Fe]-Hydrogenase），這一策略為解決該酶的大規(guī)模制備和改造困難帶來(lái)希望。然而，目前合成的金屬輔因子仿生配合物與天然金屬輔因子（FeGP）的結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)重組得到的半合成單鐵氫酶活性不足天然單鐵氫酶的1%。因此，亟須合成結(jié)構(gòu)上更接近天然金屬輔因子的仿生配合物，以得到重組后活性更高、更穩(wěn)定的人工半合成單鐵氫酶。
本文針對(duì)天然 FeGP 輔因子的吡啶配體，通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)金屬輔因子仿生配合物的結(jié)構(gòu)，首次明確了 FeGP 輔因子中兩個(gè)甲基取代基的功能分工，揭示了它們的微觀調(diào)控作用，進(jìn)一步完善了天然單鐵氫酶的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系。通過(guò)人工半合成策略得到了迄今為止活性最高、穩(wěn)定性最高的人工半合成單鐵氫酶，為該類(lèi)酶的應(yīng)用開(kāi)發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。
這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society 上。
