加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员正在通过利用光来扩展化学反应的范围。他们开发了一种使用光生物催化法来创造非经典氨基酸的方法，这些氨基酸是肽类治疗药物、生物活性天然产物和创新功能蛋白的重要组成部分。这项成就由化学教授杨阳及其在匹兹堡大学的合作者在《自然》期刊上发表的论文中报道。
“生物催化领域已经取得了许多进展，我们已经达到了一个阶段，可以智能地创造全新的酶促反应，这在化学和生物学上都是前所未有的，”杨说。
生物催化主要集中在使用酶这一自然的优选催化剂加速化学反应，努力改善对合成化学有益的自然酶的功能，或将它们适应于新的和创新的用途。自然酶被用来帮助发生在自然界中并不常见的化学反应。尽管经过多年的研究，但新自然界和合成化学的酶促反应实例仅有寥寥几例。目标是发现全新的酶促反应和一般的酶催化模式。
光生物催化是一门新兴的化学领域，利用光激发酶，产生能量（通常以自由基的形式）将一种分子转化为另一种分子。这种方法利用了酶的选择性和高效性。该研究探索了将酶与光结合的创造新工艺，特别专注于非经典氨基酸。
结合催化过程
研究团队集中在依赖于吡哆醇磷酸盐（PLP）的酶上，这些酶在氨基酸代谢中起着关键作用。他们开发了一种相互作用的三级催化循环，涉及一种光催化剂——一种基于铱的化合物——可以对光做出反应，产生过渡自由基。随后，第二个周期利用光再生光催化剂。
使用PLP酶的生物催化循环通过一系列特定于PLP生物化学的独特激活步骤来修改氨基酸底物。从光化学中产生的自由基在此过程中起了作用，它进入酶的活性位点并与酶促中间体相互作用，以促进新的化学反应。这种酶与光催化剂之间的协作使得非经典氨基酸产品的生成成为可能。
通过改变常见氨基酸的分子结构，这些酸被赋予了新的特征和能力。其中一个例子是氨基酸重要的“α碳”处生成新的碳-碳键。杨表示，利用这个“主链”打开了创造各种新氨基酸的可能性，这些新氨基酸可以作为新的治疗药物和天然产品的基础，执行独特而理想的功能。杨强调，这些是通过物种丰富的氨基酸底物进行的吡哆醇生物催化的首个示范，通过自由基介导的α功能化。
此外，该过程效率高且立体选择性，意味着它可以为生成的氨基酸选择一个优先的三维“形状”，同时消除了需要添加和去除“保护基团”以掩盖某些化合物的额外步骤。在分子上防止那些区域发生不希望的化学反应的活性区域。“我们发现光催化剂与酶之间的有趣相互作用，”杨说道，他的团队正在研究增强这两种催化剂之间相互作用的方法。“我相信这将引领新的基础科学，无论是在合成化学还是酶学方面。”
