近日，中國科學院生物物理研究所王江云課題組與華中科技大學鐘芳銳課題組合作，在Cell Chem上發(fā)表了題為Whole-cell-catalyzed hydrogenation/deuteration of aryl halides with a genetically repurposed photodehalogenase的研究文章。該研究報道了一種編碼在黃色熒光蛋白中的二苯甲酮光催化劑，稱為還原性光鹵化酶（RPDase），可以有效地介導芳基鹵化物的生物催化加氫脫鹵和氘化脫鹵。與為特定底物的生物修復而進化的天然金屬輔因子依賴性脫鹵酶不同，這種不含金屬的光酶通過完全非天然的催化機制與甲酸鹽結合，并表現(xiàn)出顯著的底物通用性。基于RPDase和遺傳密碼子擴展方法，該研究首次證明了使用表達RPDas的重組大腸桿菌細胞可以進行全細胞光生物催化，進而有價值的化學品生產有望實現(xiàn)生物代謝。

自然進化在較大程度上由環(huán)境壓力驅動和塑造，因此產生了各種在分子水平上具有結構和功能多樣性的酶。例如，鹵代芳烴通常是有毒、危險的，通常也是人為來源的持久性有機鹵化物，可以被有機鹵化物呼吸細菌有效降解。編碼脫鹵酶的基因已被鑒定，大自然根據(jù)不同底物的類型創(chuàng)造了不同的脫鹵酶，包括脂肪族有機鹵化物的水解脫鹵酶，攜帶鈷酰胺輔因子（維生素B12），將電子從犧牲還原劑（如NADPH）穿梭到芳基或烯基鹵化物底物還原性脫鹵酶等，基于它們的天然來源，這些酶通常對特定的底物有效。NprdhA是一種從巨大芽孢桿菌中獲得的還原性脫鹵酶，對含有2,6-二鹵酚部分的底物表現(xiàn)出明顯的偏好。有研究推測，B12輔因子會攻擊底物的鹵素原子，導致碳鹵素鍵斷裂，并伴隨離去基團的質子化。

盡管天然脫鹵酶的催化機制多種多樣，有機鹵化物底物的多樣性仍在不斷增加，但它們的脫鹵效率基本上受到天然輔因子和天然氨基酸種類有限的限制。已測量到典型芳基鹵化物的標準還原電勢為-0.99 V和-2.59 V之間，而用于降解四氯乙烯的天然鈷酰胺依賴性還原脫鹵酶中Co（II）/Co（I）對的氧化還原電位為~-0.38 V，結合它們的底物特異性使得較難處理對還原高活性的各種芳基鹵化物。將合成輔因子引入天然蛋白質將賦予酶新的化學反應活性，可以補充自然界進化的酶。設計人工脫鹵酶，可以利用非天然催化劑的反應性來進行合成化學中發(fā)展的脫鹵反應，從而實現(xiàn)高價值的化學合成。

王江云課題組基于基因密碼子擴展技術實現(xiàn)了多種具有特殊物理化學性質的非天然氨基酸在蛋白質中的編碼。前期研究發(fā)現(xiàn)通過使用基因密碼子擴展技術可以將二苯甲酮非天然氨基酸插入熒光蛋白，從而改造發(fā)色團光驅動生成具有高還原活性的物種，用于驅動二氧化碳光還原、芳香化合物脫鹵羥化、功能鐵硫簇蛋白的還原等。這些工作發(fā)展的光敏蛋白質表現(xiàn)出優(yōu)異的光化學性質。

本研究發(fā)現(xiàn)在編碼二苯甲酮非天然氨基酸的光敏蛋白質可以有效催化各種芳基鹵化物的還原脫鹵。基于光敏蛋白質發(fā)展的還原性光鹵化酶（RPDase）通過一種非天然的機制運作，甲酸鈉作為犧牲還原劑，光化學產生強還原性的含二苯甲酮發(fā)色團陰離子自由基。這與B12依賴性天然脫鹵酶與NADPH偶聯(lián)完全不同。RPDase可容納多種芳基碘化物、芳基溴化物和芳基氯化物。此外，它適用于氘化藥物分子的制備和形成C-C鍵的自由基加成反應，且它在大腸桿菌（E.coli）細胞中作為全細胞生物催化劑也表現(xiàn)良好。研究表明，使用遺傳密碼擴展技術將合成光氧化還原催化與天然蛋白質相結合，可以創(chuàng)造出有趣的人工光合機制，從根本上擴展生物催化的范圍?；谏镎缓涂沙掷m(xù)的光合作用，有望實現(xiàn)有價值的非天然化學制造，設計微生物細胞工廠。

生物催化還原脫鹵酶催