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注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
氧化还原酶是仅次于水解酶广泛应用的生物催化剂，其中羰基还原酶能够催化可逆的羰基还原或醇氧化反应。与化学不对称氢化羰基化合物不同，酶催化反应不需要高压、低温等极端反应条件，在转化天然底物时，往往表现出极高的转化能力及立体选择性；但是在利用羰基还原酶还原非天然底物时，酶的转化能力差，产物的立体选择性低，限制了羰基还原酶在更多羰基化合物中的应用。
α-卤代芳香酮不对称氢化获得的手性醇是合成肾上腺素受体激动剂、支气管扩张药物、HIV-1蛋白酶抑制剂的关键中间体。利用羰基还原酶催化转化α-卤代芳香酮生成手性醇具有非常重要的应用价值。中国科学院天津工业生物技术研究所的生物催化与绿色化工（朱敦明、吴洽庆）研究团队对来源于赭色掷孢酵母（Sporobolomycessalmonicolor）的羰基还原酶SSCR的改造和合成应用开展了系统的研究，发现SSCR对α-卤代芳香酮化合物具有很高的催化活性，尤其是对α,α,α-三氟甲基苯乙酮的酶活力与苯乙酮的酶活力相比提高了倍，同时获得的手性醇ee值从42%提高到98%。苯乙酮是α-卤代芳香酮的结构类似物，结构差别在于羰基的α位取代基不同。如何在分子水平理解酶分子氨基酸残基与α-卤代芳香酮α-取代基团之间的相互作用，导致SSCR对α-卤代酮底物的活力、立体选择性显著提高呢？
该团队通过计算模拟发现，在SSCR活性中心α,α,α-三氟甲基苯乙酮底物两侧的六个氨基酸（N、Y、T位于三氟甲基一侧；S、T、S则位于苯环一侧）与底物的相互作用可能是导致高活性和立体选择性的原因。
图1.底物α,α,α-三氟甲基苯乙酮与酶分子氨基酸残基的相对位置
作者通过对上述六个氨基酸分别进行丙氨酸突变，获得了六个突变体，检测这六个突变体对α-卤代芳香酮的活性和立体选择性。结果表明，固定三氟甲基基团的关键氨基酸残基是位的天冬酰胺，三氟甲基中的氟原子与位天冬酰胺上酰胺基的氢原子形成氢键，氢-氟原子之间的距离仅为2.35?。将位天冬酰胺突变为丙氨酸后，突变酶的活力下降为野生型的20%，产物的ee值也降低至93%。固定苯环的关键氨基酸残基为位丝氨酸和位苏氨酸，位丝氨酸和位苏氨酸上羟基的氢原子与苯环形成XH/π相互作用。这两个氨基酸残基分别突变为丙氨酸后，对突变酶的活力影响不大，但是产物的立体选择性均下降至81%。因此，氟原子与位酰胺基氢原子氢键破坏导致催化活性大幅度降低，而位丝氨酸、位苏氨酸与苯环形成的XH/π相互作用消失导致立体选择性下降。
图2.SSCR催化α,α,α-三氟甲基苯乙酮（1g）的还原活性和立体选择性控制的分子机理
该研究从分子水平揭示了羰基还原酶催化α-卤代酮（α,α,α-三氟甲基苯乙酮）还原反应的活性和立体选择性的控制机理，通过对羰基两侧取代基团与酶相互作用的操控，能够有效对酶的催化活性和立体选择性进行干预，从而为羰基还原酶的设计改造指明方向。这一成果近期发表在ACSCatalysis上，文章的第一作者是中国科学院天津工业生物技术研究所的副研究员陈曦和助理研究员张红榴。
该论文作者为：XiChen,HongliuZhang,JinhuiFeng,QiaqingWu,DunmingZhu
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