酶催化反應領域重要科研突破：雷曉光課題組與合作者發現自然界中首例exo選擇性的分子間Diels-Alder反應酶

藥物中間體、農藥和精細化學品在國計民生中占據重要地位。傳統的化學合成工藝存在效率低和污染嚴重等瓶頸問題；基于酶催化的生物合成工藝，具有過程綠色、選擇性好等優勢，目前特别在創新藥物工業化生産中得到了廣泛的應用。然而，目前酶催化反應的工具箱還非常有限，能夠催化新穎化學轉化的酶亟待被發現，從而推動酶催化在工業上更為廣泛的應用，有助于實現化學品的“碳中和”生物綠色制造。

狄爾斯-阿爾德反應（Diels-Alder reaction，簡稱D-A反應）是共轭雙烯（二烯體）與取代烯烴（親二烯體）之間發生的[4+2]環加成反應，是合成化學中構建C-C鍵最常用的方法之一，已經在天然産物全合成，藥物分子工業化生産以及材料化學等方面得到了廣泛的應用。2021年諾貝爾化學獎授予的有機小分子催化所應用的第一個實例即為不對稱D-A反應。為了實現某一個非對映異構體的高效合成，D-A反應過程中的區域、endo/exo以及對映立體選擇性必須得到精準控制（圖1a）。傳統化學催化的D-A反應存在着立體選擇性差，合成效率低等問題，因此從自然界中挖掘和利用立體專一性的D-A反應酶受到了化學家們的廣泛關注和研究 (Jeon, B. S., Wang, S.-A., Ruszczycky, M. W., Liu, H. W. Natural [4+2]-cyclases. Chem. Rev. 2017, 117, 5367)。雖然目前已有一些高立體選擇性D-A反應酶的報道，但它們一般催化的是分子内D-A反應，且往往僅能産生單一的endo構型産物，而合成應用價值更高的exo選擇性的分子間D-A反應酶非常少見，極大限制了D-A反應酶在化學合成中的應用。

2021年12月10日，beat365beat365、北大-清華生命科學聯合中心雷曉光實驗室與美國UCLA化學系Ken N.Houk實驗室合作，在Nature Catalysis雜志在線發表了題為“Enzymatic control of endo- and exo-stereoselective Diels-Alder reactions with broad substrate scope”的研究論文，報道了自然界中催化不同endo/exo選擇性Diels-Alder反應的酶，利用這兩類酶實現了一些列D-A産物的高效精準合成，并解析了這兩類不同endo/exo選擇性D-A反應酶的催化機制，為後續D-A反應酶的開發和在藥物合成上的工業化應用奠定了基礎。 

受到桑科植物中D-A類型天然産物生物合成的啟發，作者從白桑中挖掘和鑒定到兩類FAD依賴蛋白，其中一類FAD依賴蛋白（MaDA-1）具有與已知endo選擇性D-A反應酶MaDA相同的功能,而另一類FAD依賴蛋白（MaDA-2和MaDA-3）催化了罕見的exo選擇性的分子間D-A反應。作者還系統性探索了這兩種選擇性分子間D-A反應酶的底物适用範圍，并利用它們實現了一系列天然和非天然D-A産物的高效精準合成，如圖1所示。

圖1 D-A産物的高效精準酶法合成

作者還成功解析了exo選擇性D-A反應酶MaDA-3的晶體結構，并結合計算模拟以及突變實驗解析了這兩類D-A反應酶具有不同endo/exo選擇性的機制。作者發現endo選擇性D-A反應酶MaDA可以穩定結合endo過渡态而不能穩定結合exo過渡态（圖2c）;而exo選擇性D-A反應酶可以穩定結合exo過渡态而不能結合endo過渡态（圖2f）。當endo過渡态與MaDA結合時，R443可以與親二烯體形成較強氫鍵相互作用，從而促進了反應的發生（圖2a）;而在MaDA-3中R294可以與親二烯體形成較強的cation-相互作用，從而促進了反應的發生（圖2d）。

圖2 不同endo/exo選擇性D-A反應酶的機制研究

綜上所述，beat365雷曉光課題組與UCLA的K. N. Houk課題組合作報道了兩種不同功能的FAD依賴蛋白，它們催化了不同endo/exo選擇性D-A反應，的發生，并證實了這類D-A反應酶具有良好的底物适用性以及立體選擇性，在D-A産物的精準高效合成上具有重要的價值。此外，基于結構生物學，計算化學以及突變實驗，他們還解析了不同選擇性D-A反應酶的催化機制，證明了endo類型D-A反應酶主要是通過R443與親二烯體形成氫鍵來促進D-A反應的發生；而exo類型D-A反應酶主要通過R294與親二烯體形成cation-相互作用來促進反應的發生。

在該工作中，雷曉光課題組特聘副研究員高磊博士，K. N. Houk課題組博士後鄒一可博士，雷曉光課題組博士後劉小晶博士和博士研究生楊軍為共同第一作者。雷曉光教授以及加州大學洛杉矶分校的K. N. Houk教授為共同通訊作者。雷曉光課題組特聘副研究員範俊萍博士以及博士後杜曉霞博士在晶體結構解析方面做出了重要貢獻。雷曉光課題組的博士研究生王進、于欣水也在底物合成以及基因擴增方面提供了幫助。K. N. Houk課題組的Jiang Mingxuan以及Li Yuli也在DFT calculation上提供了幫助。該工作得到國家自然科學基金，國家科技部重點研究發展計劃，北京市“卓越青年科學家計劃”，北京分子科學國家研究中心，北大-清華生命科學聯合中心等多個國家重大科研項目和研究機構的資助。同時也特别感謝瑞士諾華制藥公司對雷曉光課題組酶催化研究的資助與深入科研合作。