血红素蛋白改造实现不对称金属催化氢原子转移新突破

来自国际研究团队通过定向进化改造细胞色素P450酶(P450BM3)，成功开发出可催化非天然反应——不对称金属-氢化物氢原子转移(MHAT)的生物催化剂。该研究突破传统MHAT反应对未活化烯烃立体选择性控制的难题，在需氧全细胞条件下实现吡咯烷/哌啶等环状化合物的高效合成(对映体比例高达98:2)，并拓展至腙/肟/腈等新型自由基受体。机制研究揭示瞬态铁(III)-氢化物均裂的关键作用，为拓展自由基生物催化边界提供新范式。

这项突破性研究将自然界存在的细胞色素P450酶(CYPs)成功改造为人工金属-氢化物氢原子转移(MHAT)催化剂。传统过渡金属氢化物在羰基/烯烃/炔烃的加官能团化反应中应用广泛，但涉及未活化烯烃的立体选择性MHAT反应始终面临巨大挑战——源于手性催化剂与前手性有机自由基间的弱相互作用。

研究团队通过定向进化技术对P450_BM3进行改造，获得的三重突变体展现出惊人的催化能力：在需氧全细胞条件下，可高效催化未活化烯烃的MHAT自由基环化，制备包括吡咯烷和哌啶在内的多种环状化合物，最高获得98:2的对映体比例。更令人振奋的是，除缺电子烯烃外，改造后的P450_BM3还能催化肟类、腙类和腈类等非经典自由基受体参与的不对称环化反应。

机制研究表明，该反应通过瞬态铁(III)-氢化物(Fe(III)-H)的均裂实现氢原子转移。研究人员还从嗜热菌CYP119出发，开发出立体选择性互补的MHATase催化剂，充分展现了改造血红素蛋白在MHAT生物催化中的巨大潜力。这项研究开创性地将均裂金属-氢化物反应特性整合到金属酶中，为不对称自由基生物催化开辟了新天地。