人工金屬催化酶設計

金屬酶在原子轉移反應中占有重要地位。自?21?世紀初開始，人工金屬酶設計迅速發展，并從水解反應等天然催化反應擴展至碳-碳鍵連接、氧轉移反應等非天然酶催化原子轉移反應。例如，上述的?Diels-Alder?反應中，人工金屬酶催化?Diels-Alder?反應的立體選擇性和反應活性已與化學催化劑相當。此外，相對于天然酶，金屬酶的底物范圍明顯增大。2011?年，Kuhlman?課題組偶然發現，在同源二聚體界面處計算設計的?Zn(Ⅱ)?結合位點可有效催化羧酸酯和磷酸酯水解。隨后，他們在?rabenosyn?蛋白的?Rab4?結合域引入組氨酸與?Zn(Ⅱ)?配位，該復合體對?4-?硝基苯基乙酸酯的水解速率提升了?5?個數量級。除了活性位點結構優化外，化學連接法也是人工金屬酶設計的可行策略。Rovis?課題組讓生物素?Rh(Ⅲ)?配位復合物與鏈霉親和素結合，構建出用于活化?C-H?鍵的人工金屬酶，催化速率提升了100?倍，并具有?93%?的對映選擇性。此外，正如?Alexandrova?課題組在綜述中所述，金屬酶進化過程除了受反應活性等因素影響外，還受金屬可用性和毒性影響。在這些限制因素下，金屬催化劑并非一定達到其最佳催化性能。因此，利用新型金屬代替固有金屬催化劑改善酶的催化性質為金屬酶分子設計提供了新思路。Itoh?和?Fujieda在分子動力學模擬的基礎上，利用銅離子取代?β-?內酰胺酶的雙鋅離子結合部分，制備了人工雙銅氧化酶。與野生型?β-?內酰胺酶相比，這種銅取代氧化酶的三重突變體催化?4-?叔丁基羧酸酯的?k_cat/K_M值增加了?87?倍。