今天小编向大家介绍两位青年学者，来自美国加州大学圣巴巴拉分校的杨扬（Yang Yang）教授和匹兹堡大学刘鹏教授。

杨扬，2011年在北京大学获得化学学士学位，师从王建波教授进行本科研究。随后，他在麻省理工学院获得有机化学博士学位，师从Stephen Buchwald教授。在麻省理工学院，他的研究重点是铜催化的简单烯烃的不对称水官能团化。作为美国国立卫生研究院博士后研究员，杨博士与加州理工学院的Frances Arnold教授合作，开发了一种用于C（sp3）–H键不对称胺化的通用酶促平台。

2020 年夏天，杨扬教授在加州大学圣塔芭芭拉分校化学与生物化学系开始了他的独立研究生涯。他的实验室的科研集中于生物催化的不对称反应以及天然产物的化学酶法合成。杨扬教授曾获得摄政青年教师奖学金（2021年）、教师职业发展奖（2022年）、NSF职业奖（2022年）、美国国立卫生研究院最大化研究者研究奖（2022年）、蒂姆化学期刊奖（2023年）、陆军研究办公室青年研究员奖（2023年）、帕卡德奖学金（2023年）和斯隆研究奖学金（2024年）。

刘鹏，本科毕业于北京大学，硕士毕业于加拿大圭尔夫大学，博士毕业于UCLA，现为匹兹堡大学副教授。刘鹏课题组使用计算工具来研究有机和有机金属反应。研究反应的发生方式，控制速率和选择性的因素，并提供理论见解，以帮助开发改进催化剂和试剂。

合作发表4篇Science，5篇大子刊

最新Nature：光生物催化氧化偶联立体选择性氨基酸合成

在过去几年中，利用可见光照射揭示了以往难以发现的酶活性，开展了一系列对手性小分子催化剂来说极具挑战性的立体选择性C-C键形成的自由基反应研究。特别地，通过利用依赖烟酰胺、黄素和吡哆醛-5′-磷酸的酶的催化作用，推进了整体还原性和氧化还原中性的自由基转化，实现了烯烃的分子间自由基加成和sp3-sp3交电偶联，且具有出色的对映控制。然而，尽管亲核剂种类繁多且广泛可用，但在新兴的自然界光生物催化领域，两种不同亲核剂的C(sp3)-C(sp3)交叉偶联氧化仍是一个未知领域（图 1a）。如果能成功实现不对称光生物催化sp3-sp3氧化偶联，我们就可以便捷地从丰富的构建模块中获取大量高附加值的手性产品。

在此，美国加州大学圣巴巴拉分校杨扬教授联合匹兹堡大学刘鹏教授共同报告了有机硼试剂与氨基酸之间的光生物催化不对称 sp3-sp3 氧化交叉偶联反应。该反应需要协同使用工程吡哆醛生物催化剂、光氧化催化剂和氧化剂。作者将依赖于吡哆醛-5′-磷酸的酶家族--苏氨酸醛醇酶--重新用于甘氨酸和α-支链氨基酸底物的α-C-H 功能化，通过自由基机制，产生了一系列α-三取代和四取代的非典型氨基酸，这些氨基酸最多拥有两个连续的立体中心。吡哆醛自由基酶的定向进化使一级和二级自由基前体（包括苄基、烯丙基和烷基硼试剂）能够以对映和非对映控制的方式耦合。光氧化-吡哆醛生物催化合作为 sp3-sp3 氧化偶联提供了一个平台，允许进行化学或生物学未知的立体选择性分子间自由基转化。相关成果以“Stereoselective amino acid synthesis by photobiocatalytic oxidative coupling”为题发表在《Nature》上，第一作者为王天赐。

杨扬教授的研究小组致力于设计立体选择性自由基生物催化的新策略，最近作者提出了一个问题：是否可以推进新的生物催化活化模式，以促进合成有机化学或酶学中未知的 sp3-sp3 氧化交叉偶联反应？鉴于依赖于天然磷酸吡哆醛（PLP）的酶在结构和功能上的巨大多样性，作者特别感兴趣的是如何开启广泛使用的 PLP 生物催化剂的新氧化自由基偶联活性，以立体选择性合成非典型氨基酸（ncAAs）。作者假设，如果能将另一个不同的 α-官能化 PLP 酶家族，包括苏氨酸醛缩酶、丝氨酸羟甲基转移酶、苏氨酸反醛缩酶（TTAs）及其相关的生物合成酶，重新用于 sp3-sp3 氧化偶联反应并使之进化，将使作者能够推进前所未有的研究、 这将使作者能够推进一种前所未有的吡哆醛自由基生物催化模式，用于立体选择性和无保护基合成 ncAAs，包括那些具有连续立体中心和α-四取代立体中心的 ncAAs，而这些立体中心仍无法进行催化不对称合成（图 1b）。

图 1：通过合作三催化循环实现光生物催化不对称 sp3-sp3 氧化交叉耦合

光生物催化氧化偶联设计

作者最新研究提出了一种创新的sp3-sp3氧化偶联方法（图1c），该方法结合光还原与吡哆醛生物催化技术，通过可见光照射实现复杂的化学反应。在这一过程中，特定的光催化剂首先吸收光能，激发产生高活性的自由基，这些自由基能与氨基酸反应生成新的C-C键。此技术的核心在于其高效的催化机制和优异的立体选择性，使得它能在室温和温和条件下合成结构复杂且功能丰富的新型氨基酸。这种方法不仅开辟了有机合成中的新途径，也为制药研究和材料科学带来潜在的革命性影响。

反应发现和优化

在本研究中，作者首先寻找适合的PLP生物催化剂，用于推进苄基三氟硼酸盐与甘氨酸的光生物催化氧化交叉偶联。作者重点关注能在氨基酸的α位催化形成C-C键的PLP依赖型酶，因为这些酶可能容纳入碳中心自由基，促进C-C偶联。实验中，苏氨酸醛缩酶表现出初步的氧化偶联活性，特别是来自Thermotoga maritima的苏氨酸醛缩酶显示出最高的初始活性（图 2a）。同时，选择适当的光氧化催化剂和单电子氧化剂也显著影响了偶联效率（图 2b），最终发现Co(NH3)6Cl3是最佳的氧化剂，能有效转化苄基三氟硼酸盐，并在一定条件下达到较高产率。

图 2：光生物催化不对称 sp3-sp3 氧化交叉偶联的发现和优化

酶工程和底物范围

在本研究中，作者依据TmTA酶的晶体结构进行了针对性的蛋白质工程，通过定点饱和突变和筛选技术，对PLP共价中间体附近的关键α螺旋残基进行了调整。相较于传统酶工程，作者发展了一套高通量实验流程，结合96位光反应器和先进的色谱-质谱技术，有效地筛选出了具有较高活性的TmTA变体。其中，TmTA W86N变体在优化的光催化条件下，显示出提高的产率和极佳的对映选择性，成功地催化了苯丙氨酸的合成。此外，作者还扩展了这种光生物催化反应的底物范围（图3），包括不同取代基的苄基硼酸盐，都能在无需额外酶工程的情况下，以良好的产率和优异的对映选择性获得所需的非天然氨基酸。这些成果不仅展示了PLP生物催化剂的广泛适用性，还证明了该方法的可扩展性和高效性，为合成多样化的有机硼试剂提供了新的策略。

图 3：用于 ncAA 合成的光生物催化不对称 sp3-sp3 氧化偶联

在本研究中，作者通过PLP自由基酶催化仲烷基硼酸盐形成β-甲基非天然氨基酸（ncAAs），挑战了对映体转化的复杂任务。作者成功实现了高效的不对称合成，默克公司的研究表明，通过使用外消旋1-苯乙基三氟硼酸盐作为自由基前体，野生型TmTA酶能以较高产率和对映选择性催化生成β-甲基ncAAs。此外，作者通过迭代定点诱变和高通量筛选，对TmTA进行了定向进化，提高了催化效率和非对映选择性。这种光生物催化反应展示了一种无需保护基团，一步到位合成β-甲基ncAAs的新策略，具有高度的收敛性和立体选择性。作者的研究还扩展到了α-支链氨基酸底物的转化，通过光生物催化成功生成了高对映体富集的α-四代ncAAs，这是传统生物催化方法难以实现的。这证明了光生物催化协同作用在释放新酶活性方面的巨大潜力，同时也展示了这种方法的合成实用性和可扩展性。

图 4：β-甲基 ncAA 的对映选择性和非对映选择性合成以及 α-四取代 ncAA 的对映选择性合成

机理和计算研究

为了探索光生物催化sp3-sp3氧化交叉偶联的机理，作者在2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基（TEMPO）存在下进行了该反应。在标准条件下，观察到了73%的自由基捕获产物，表明本反应过程中涉及苄基自由基。此外，作者还研究了在没有PLP生物催化剂和甘氨酸的条件下的自由基生成情况。结果表明，在特定光催化剂和氧化剂存在下，可以生成苄基自由基，并在缺乏氧化剂时未观察到自由基形成，说明氧化剂对自由基形成至关重要。进一步通过密度泛函理论计算，作者分析了苏氨酸醛缩酶催化的氧化偶联反应机理，并考虑了α-氢去质子化的几种可能途径。实验与理论计算表明，苄基自由基可以高效地添加到醌式中间体的α碳上，形成氮中心自由基。该自由基中间体随后通过与氧化剂的单电子转移生成新的外部亚胺，进一步转变为对映体富集的产物。此外，计算还显示，特定自由基添加过渡态的立体选择性和区域选择性与实验观察到的L-氨基酸形成一致。

来源：高分子科学前沿

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