酶作为强效的生物催化剂，能够以极高的效率和选择性促进化学反应。随着基因组测序技术、定向进化和计算设计的进步，酶已经被发现和改造以满足活性药物成分和精细化学品的可持续生产需求。然而，尽管这些技术取得了显著进展，但与传统的过渡金属催化和有机催化相比，酶催化的反应类型，尤其是碳-碳键形成反应，仍然相对有限。因此，设计或重新利用能够催化非生物转化的酶是一项具有高度挑战性的研究课题。近年来，研究人员开发了一些策略来实现这一目标。例如，血红素蛋白已经被改造为催化涉及卡宾、硝基或自由基作为中间体的非天然反应。此外，通过基因引入具有催化侧链的非标准氨基酸（ncAA）来创建人工酶，这为扩展自然界中未发现的酶化学提供了可能性。基因编码p-硼酚丙氨酸（pBoF）等ncAA，为开发具有新功能的酶提供了新的途径。鉴于有机硼酸在广泛的有机反应中具有催化作用（图1a），并且能通过B-O键交换形成可逆的共价键，从而促进亲核或亲电活化，研究人员提出了将有机硼酸功能团引入人工酶的设计。
图片来源：JACS
本研究通过基因编码技术将p-硼酚丙氨酸（pBoF）引入蛋白质骨架中，设计并优化一种人工酶，以催化不对称的Michael型Friedel-Crafts烷基化反应。（图1c）研究首先选取了乳酸乳球菌的二聚转录因子LmrR作为蛋白质骨架，通过结构分析确定了在α螺旋中的多个位置，将pBoF基因特异性地引入到LmrR中，并通过质谱确认了成功引入。研究还通过定向进化，进一步优化了人工酶的活性和对映选择性。在此基础上，研究还开发了全细胞催化技术，用于制备规模的转化反应，并结合钯催化的去芳构化反应，实现了高对映选择性和高二级选择性的螺环吲哚类化合物合成。本研究通过基因扩展技术将新型化学反应引入酶催化中，拓展了酶的化学功能，尤其是在不对称合成中的应用。这一研究不仅展示了有机硼酸在酶催化中的潜力，也为人工酶的设计提供了新的思路。通过定向进化和全细胞催化技术的结合，研究团队成功实现了高效、高选择性的碳-碳键形成反应，并且证明了这一策略在制备螺环吲哚类化合物中的应用价值。未来，这一方法可望进一步用于设计能够催化其他非生物反应的人工酶，推动酶化学的应用边界。
标题：Design and Evolution of an Artificial Friedel−Crafts Alkylation Enzyme Featuring an Organoboronic Acid Residue
作者：Shu-Bin Mou,§ Kai-Yue Chen,§ Thittaya Kunthic,§ and Zheng Xiang*
链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c03795
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