《Nature》：血红素换个“心”，催化大不同

酶是以高效率和高选择性而著称的天然生物催化剂，它是大自然最精巧的创造之一。不过纯天然的酶原本是服务于生命体系的，催化反应的种类有限。人工合成的催化剂当然应用范围更广，不过酶的优越特性又实在不忍舍弃，这种时候喜欢不信邪的化学家就要大显身手啦。这不，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的John F. Hartwig教授瞄上了血红蛋白。

John F. Hartwig教授是国际著名有机化学家，2012年当选美国科学院院士，现年52岁，重点是很帅。

图片来源：University of California, Berkeley

血红蛋白的一大特征是拥有Fe-卟啉IX（Fe-PIX）辅因子，原始的血红蛋白可以催化C-H键氧化和卤化反应，并且可以成功地应用于非生物底物。而以Fe-PIX为核心的其他酶，可以催化卡宾、氮宾与烯烃或X-H键的插入反应（X = N, S）和端芳香烯烃的环丙烷化，但对不活泼的C-H键和烯烃的类似反应则无效。

在以往的研究中，科学家已经发现对于一些反应，小分子Ru/Rh/Ir-卟啉的催化效果远好于Fe-卟啉分子，于是他们在想，用这些贵金属代替这些酶中的铁能否收到奇效？

这个想法并非首创，实际上Mn/Cr/Co核心的“血红蛋白”已经被报道过，只是它们的催化活性都不如Fe-PIX，对Ru/Rh/Ir核心的催化效果，John F. hartwig团队的成员心里也没底。（Abiological catalysis by artificial haem proteins containing noble metals in place of iron. Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature17968）

计划的第一步是要合成出相应金属核心的酶。已有的方法包括组合法和单一表达法。组合法需要先用酸把血红蛋白的结构打破，释放出Fe-PIX后，再使空的血红蛋白（apo-PIX）折叠回原样。之后再与不同的M-PIX（M为各种金属）混合，得到产物后分离纯化。这一过程非常繁琐，产率低下。另一种单一表达法比较简单，直接表达出M-PIX核心的蛋白，但几乎每一种金属都要换一个表达方法，缺乏普适性，效率依旧不高。于是本文的研究人员开发了一种新的表达系统。

他们尽量降低大肠杆菌培养基中铁盐的含量，以抑制血红素的合成，并保持较低的温度使apo-PIX蛋白保持稳定。最终他们得到了含铁量低于5%的apo-PIX蛋白。这些蛋白与不同的M-PIX混合，填补蛋白中的空位，便能得到不同的M-PIX蛋白。

M-PIX蛋白制备过程。圆二色光谱表明细菌中表达的apo-PIX蛋白、加铁后的蛋白与天然的Fe-PIX蛋白在构象上没有差别。图片来源：NPG

获得了这些M-PIX蛋白后，研究人员比较了不同金属核心的酶催化卡宾的C-H键插入反应及芳香烯烃加成反应的活性。结果表明Ir（Me）-PIX蛋白的催化活性最好。

图片来源：NPG

基于此，为了获得高的对映选择性和产率，研究人员又对PIX结合位点附近的重要氨基酸逐一做了突变、筛选（93G代表蛋白质93号氨基酸为甘氨酸G）。

图片来源：NPG

Ir（Me）-PIX蛋白的不同突变体不仅弥补了Fe-PIX蛋白的不足，能够成功催化卡宾的C-H键插入反应和不活泼烯烃加成反应，而且对映选择性、催化剂转换数TON（单位时间内转化的底物的物质的量/催化剂的物质的量）都相当不错。

氘评：

这项简短有力的工作虽然还不够完美，在底物耐受性、产率、选择性、催化效率、机理研究等方面还有很大进步空间，但无疑打开了人工改造天然酶催化剂的新思路。仅仅是把自然界存在的酶换一个金属核心，就能对新的化学反应产生催化功能，不知道是大自然故意给人类留下了发挥空间，还是化学家足够机智呢？

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature17968.html

（本文由氘氘斋供稿）

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