💡这项突破是什么?
清华新闻网4月7日电 含硅有机物尤其是具有硅手性中心的化合物近年来在有机合成、功能材料及药物化学领域展现出重要的应用价值，但其生物催化合成体系的发展仍显著滞后于传统化学方法。值得注意的是，尽管硅元素在地壳中的丰度高达28.8%（以二氧化硅和硅酸盐形式存在），但是生命系统对其生物利用却极为有限，仅有硅藻等少数生物进化出特异性硅代谢途径。研究如何利用酶催化过程制备或者转化含硅化合物是合成化学以及生物催化领域的热点之一。近年来，相关领域的研究已经取得了重要进展，其中代表性的工作如利用细胞色素c催化卡宾的硅氢键插入反应，以及利用细胞色素P450酶催化惰性硅氧烷添加剂中碳硅键氧化降解等。相关研究充分证明了酶工程在含硅化合物的制备以及转化方面所具备的应用潜力，为发展绿色可持续的硅基材料合成技术开辟了新路径。
尽管如此，现有生物催化体系尚未见直接构建硅手性中心的成功案例。相关研究表明，许多含硅有机物（如α-硅醇类结构）在水溶液中稳定性较低，容易发生分解及消旋化。为了突破这一限制并填补领域空白，清华大学生物医学交叉研究院刘臻课题组与浙江工业大学建筑工程学院杨云芳团队合作，开发了基于P450氧化酶的去对称化生物催化平台。通过蛋白质工程改造获得的突变体，其酶活较野生型提高了54倍，可在短时间内完成硅烷底物的选择性氧化，从而有效规避产物分解与消旋化问题。4月3日，相关研究成员以“不对称合成硅立体烷醇的酶促平台”（An Enzymatic Platform for Asymmetric Synthesis of Si-Stereogenic Silanols）为题，发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。该研究利用源自Bacillus megaterium的野生型P450BM3酶为进化起点，首次实现了含硅手性中心（Si-stereogeniccenter）硅醇的酶催化合成。研究人员通过六轮迭代式的定向进化获得了优势突变体ASOx-6，其催化效率（kcat/KM）较野生型提升54倍，可高效催化潜手性二氢硅烷的单氧化反应，获得相应的手性硅醇产物。该平台兼容多种芳基-烷基取代底物（包括含芳杂环的硅烷），模版底物的总催化转化数（TTN）可达1450。此外，通过分子动力学模拟以及DFT计算的手段，结合机理实验，研究人员系统阐明了该酶催化过程的反应机制。
图1.手性硅醇的去对称化合成策略
在研究的起始阶段，研究人员首先对于一系列碳氢键羟化酶的硅烷氧化活性进行了筛选评估。实验表明，P450氧化酶对于这一目标反应不仅具有显著的初始活性以及中等的手性选择性，更为重要的是，该催化体系中未检测到二氢硅烷过度氧化的副产物硅烷二醇3a的生成。基于这一发现，研究人员随后利用野生型P450酶作为母体，进行了多轮的定向进化。通过针对多个活性位点的定点饱和突变（site-saturation mutagenesis）以及随机突变（random mutagenesis），研究人员最终找到了催化这一反应的高活性突变体ASOx-6。在仅使用0.56‰酶载量的条件下，其催化模型底物的效果为81%的收率以及90%的ee值。
图2.关键酶的筛选与蛋白质定向进化
随后，研究人员对于该酶催化系统的底物适用性进行
