NUS朱如意课题组JACS：利用DNA修复及生物正交反应实现不对称DNA催化

自DNA介导不对称催化的开创性概念研究以来，将DNA与传统的小分子催化剂进行非共价或共价桥接的研究扩展了DNA的催化能力。采用非共价的超分子方式，虽然也可将催化剂附着在DNA分子上，但此类分子的非特异性结合特性可能导致催化剂的异质混合物形成，这给深入理解基于DNA的手性诱导机制及潜在提高反应速率的机制带来了挑战。因此，将小分子催化剂与DNA分子的特定位点结合的方式可以克服以上弊端，与非共价结合方式相比，共价结合的DNA混合催化剂提供了更优越的反应结果。因此，共价锚定策略最近在此领域中引起了越来越多的关注。然而，固相合成技术的高门槛阻碍了DNA不对称催化的广泛应用，相比之下，后合成修饰提供了一条可行的途径来规避与亚磷酰胺化学相关的限制。

DNA的去嘧啶/嘌呤核苷酸位点（AP位点）是由DNA糖基化酶（DNA glycosylase）催化去除损伤DNA碱基产生的常见DNA损伤，可以利用尿嘧啶-DNA糖基化酶（UDG）特异性识别并去除DNA中的脱氧尿苷（dU），通过酶的作用产生的DNA-AP位点在呋喃糖环和开放链游离醛之间平衡。这些由UDG生成的醛位点的生物正交反应性已被利用于生物和生物医学应用中的位点选择性连接氧胺、肼或肼基化学探针。然而，这一策略尚未用于催化剂的连接及催化体系的尝试。

新加坡国立大学（NUS）朱如意课题组致力于在结构可控的DNA骨架上构建小分子催化体系，将小分子催化剂的反应性和通用性与酶催化特异性及高效率相结合，同时希望在水介质中实现未解决的反应性和选择性。在此前研究基础上，该团队利用DNA切除修复，并将其与生物正交链接相结合，构建了多样化的DNA杂合催化剂阵列，用于DNA不对称催化，显著加速了催化剂优化过程，提高了反应性和选择性，并实现了首例轴选择性DNA催化。

作者选择使用已建立的2,2′-联吡啶-Cu²⁺系统作为概念验证研究，设计了具有GAA环的17碱基发夹型DNA（hp-DNA），在七个碱基中引入一个dU，对应的碱基为胞嘧啶（C），通过UDG酶作用并将其与不同的联吡啶配体结合，得到AP-DNA-Ligand结合物。随后，作者将含有α,β-不饱和酰基咪唑、吲哚、Cu和AP-DNA-L的反应混合物加入到MOPS缓冲液中，六种AP-DNA-L结合物均实现了完全转化其中bpy DNA-L1表现出80%的ee值。由于bpy配体可能占据了DNA AP位点的空位，并与相对和相邻的碱基密切相互作用，作者开始系统探索所有可能的碱基组合以进一步优化反应，最终发现以GUG序列表现最优。

为了研究这种方法的广泛适用性，作者对α,β-不饱和酰基咪唑和吲哚、吡咯类型底物范围进行了考察。通过对于不同金属及DNA序列的调节，多种类型的取代基均可很好兼容，表现出优秀的反应活性及对映选择性。同时，作者还对于更具挑战性的Friedel-Crafts共轭加成/对映选择性质子化反应进行研究，通过改变DNA序列，也可很好的在此反应体系中兼容。此外，作者还通过对于底物类型进行扩展，使用α,β-不饱和酰亚胺唑7和N-芳基吡咯进行反应尝试，首次在DNA催化中实现轴手性的控制。

多样DNA杂交催化剂的构建。通过磷酰胺化学固相合成方法共价连接到DNA的小分子催化剂的结构多样性受到很大限制，因此，大多数催化模式与DNA催化不兼容。为了将不对称DNA催化的范围扩展到更多以前具有挑战性的催化模式，作者着手合成一系列带有各种未保护功能基团的DNA-小分子杂交催化剂，修饰有氨基、羟基或羧基的小分子可以容易地转化为相应的氧胺或肼，用于后续的连接，多种类型的小分子催化剂均结合到17碱基对的发卡DNA中。此外，作者选择了一种能够采用三维结构的44碱基对DNA适配体，成功在预定位置将一系列结构各异的小分子催化剂结合到DNA中。这种化学酶促连接策略展示了有效结合几乎任何DNA序列与具有多种功能基团的小分子的能力，并具有简单的非色谱纯化过程。

综上所述，通过将UDG介导的DNA AP位点生成与生物正交连接相结合，作者在高通量方式下开发了多种用于不对称催化的DNA催化剂。利用基于DNA AP位点的连接方法，显著拓宽了研究反应的范围，并在效率和选择性上表现出优越性。此外，首次实现了具有出色立体控制的基于DNA的轴选择性催化。对于所有反应，催化剂的优化过程通过高通量筛选得到了极大加速，得到令人满意的结果。最后，作者有效地将多种催化剂固定在DNA上，从而为实现以前无法达到的不对称催化的多种催化模式提供了可能。

该成果于近日发表在J. Am. Chem. Soc.上，新加坡国立大学化学系朱如意助理教授为论文通讯作者，新加坡国立大学博士后盛捷和博士李朝阳为共同第一作者。

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Merging DNA Repair with Bioorthogonal Conjugation Enables Accessible and Versatile Asymmetric DNA Catalysis

Jie Sheng, Zhaoyang Li, Kelly Kar Yun Koh, Qi Shi, Angel Foo, Philip Mark Leetiong Tan, Tuan-Khoa Kha, Xujie Wang, Leonard Fang, and Ru-Yi Zhu*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 16531–16539, DOI: 10.1021/jacs.4c03210