日前，我校化学与材料科学学院陈希教授与华中科技大学吴钰周、钟芳锐教授合作，以共同通讯作者在Nature主刊在线发表文章“Enantioselective [2+2]-cycloadditions with triplet photoenzymes”。
酶是生命体重要的组成部分。酶催化具有高效、高度空间立体选择性和绿色环保特性。近些年来，对酶的改造和定向进化在合成生物学领域有许多突破，但对于酶的高效光催化鲜有报道。
这项工作是酶催化光化学领域的关键性突破。研究者将三线态能量转移这一典型的光催化模式整合到蛋白质中，通过基因重新编程，将功能改性的非天然氨基酸插入蛋白质，创造出含有三线态光敏剂的人工光酶，成功催化吲哚衍生物的分子内[2+2]光激发环加成反应，并且可以实现利用人工光酶与底物分子立体化学的非共价键相互作用控制[2+2]光激发环加成反应过程中的对映体选择性，实现高达99%e.e对映体选择性。
对该人工酶的进化共经历了四个阶段。到第三个阶段（TPe3.0），e.e值达到93%。为了进一步对该酶进行优化，陈希教授团队解析了该人工光酶与底物的复合体晶体结构，揭示了超分子蛋白质腔中的人工三线态光酶能量转移反应活性极大提高和催化高度空间立体选择性的机制：在疏水性蛋白质空腔内，通过π-π堆积作用，光能从非天然氨基酸传导到底物，激活反应。底物和周边氨基酸残基的弱相互作用决定了产物单一手性构象。基于这个机制，该研究团队设计了TPe4.0_FBP，将11位的丙氨酸突变为天冬酰胺，增加了该氨基酸残基与底物的氢键作用。同时，在非天然氨基酸上添加了一个氟原子，增长了π-π共轭，并增加了一个C-F氢键。基于这些改造，e.e值最终达到99%。陈希教授团队也成功解析了TPe4.0_FBP与底物的复合体晶体结构（后续工作），验证了这一机制。
这项研究工作将化学光敏剂与蛋白质结构相结合，创造了新型“三重态光酶”，丰富了光驱动生物催化的功能和应用范围。同时实现高手性控制，为医药、农药、信息和材料领域的发展提供核心技术支持。
陈希，2004年在清华大学取得学士学位。2011年在新加坡国立大学取得博士学位。2012年至2015年底在奥斯陆大学医院从事博士后工作。2016年在国家分子医学转化中心从事科研工作。2017年在美国德克萨斯州立大学艾尔帕索分校做访问学者。2017年入职西北大学化学与材料科学学院。
主要研究天然产物合成酶和与疾病、药物相关的蛋白质的结构与功能。文章发表在Nature，The Journal of Biological Chemistry，JCI insight，Nature Structural & Molecular Biology，Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chemie International Edition，Chemical Science等期刊上。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05342-4。
“三重态光酶”的艺术示意图
“三重态光酶”的催化机制