一種用於生產手性環丙烷和其他有價值的分子的生物催化劑

細胞色素P450酶具有大眾所熟知的自然的氧化催化能力 ：C-H鍵羥化 、胺氧化 、環氧化 。這個反應的關鍵因素是亞鐵血紅素 ，它可以結合氧氣並且將其激活用於氧化反應中 。含有P450的亞鐵血紅素是一種被熟知的氧化酶 ，可以在代謝物合成等方麵應用 。

有研究找到了全新的亞鐵血紅素酶催化反應類型 。由弗朗西斯·阿諾德 、佩德羅·科埃略和他們的同事們發表在Science的一篇文章揭露了這個驚人的發現 ，P450工程酶可以通過卡賓轉移至烯烴而催化環丙烷化反應 。以重氮作為卡賓的前體 ，不少的亞鐵血紅素酶可以將烯烴（如苯乙烯）轉化為手性環丙烷 。在重氮乙酸乙酯和苯乙烯反應的過程中 ，不同的酶能產生不同程度的立體結構選擇性 。通過巨大芽孢杆菌中的細胞色素P450酶進一步研究發現 ，通過對酶的關鍵結構的突變提高了反應的產率和立體選擇性 。苯乙烯上的取代基團可以有多種可能 ，甚至1-甲基苯乙烯也能夠被酶接受 。

一個關鍵的突變位點是軸半胱氨酸 ，當這個位置的氨基酸轉變成絲氨酸或者組氨酸時 ，能夠通過改變亞鐵血紅素的氧化還原電勢 ，產生更加強的卡賓轉化生物催化活性 。最優突變酶的酶催化轉換數達到了50,000-100,000次 ，相當於或超越了環丙烷化反應中的銠催化劑 。這個反應也不僅局限在碳卡賓轉移反應中 ，阿諾德和他的夥伴們通過使用硫酰疊氮化物和烯烴作為底物時 ，還發現了氮賓轉移反應 ，產物為氮雜環丙烷 ，為在C-H鍵加入而形成手性胺提供了可能性 。

重氮化合物和疊氮化物的激活以生成活性的碳卡賓類和氮卡賓類的中間體的反應 ，在自然界中首次被發現 ，這個具有重大意義 。這些反應可以應用在醫藥和農藥手性環丙烷和磺胺類藥物等產品的生產中 。這些新的碳卡賓/氮卡賓轉移酶非自然催化反應是生物催化領域中的一個重要突破 ，為金屬酶催化反應提供了一個新的選擇 。這個技術已經由加利福尼亞理工學院注冊專利並且獨家授權給了Provivi公司用於商業化 。

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參考文獻 ：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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