手性β-硝基醇是最為重要的硝基化合物之一，是多種醫(yī)藥中間體、生物活性物質(zhì)和精細(xì)化學(xué)品合成的關(guān)鍵手性砌塊。手性β-硝基醇的綠色制造技術(shù)已成為國內(nèi)外科學(xué)家共同關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

近日，我校生物工程學(xué)院鄭裕國院士團(tuán)隊柳志強(qiáng)教授聯(lián)合遵義醫(yī)科大學(xué)陳永正教授、萬南微教授團(tuán)隊通過定向基因挖掘獲得了一株新型鹵醇脫鹵酶，提出了酶分子活性中心鹵素結(jié)合域靜電勢調(diào)控底物構(gòu)象理論，建立了生物硝化過程精準(zhǔn)控制新策略，實現(xiàn)了手性β-硝基醇高化學(xué)選擇性、高區(qū)域選擇性和高立體選擇性的高效制備。相關(guān)研究成果以“Identification and structure analysis of an unusual halohydrin dehalogenase for highly chemo-, regio- and enantioselective bionitration of epoxides”為題，發(fā)表于化工領(lǐng)域國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》。我校在讀博士研究生王慧慧為論文第一作者，柳志強(qiáng)教授為通訊作者，與我校合作多年的遵義醫(yī)科大學(xué)陳永正教授、萬南微教授為論文主要作者。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

手性β-硝基醇的合成長期依賴于動力學(xué)拆分、不對稱還原和不對稱Henry反應(yīng)三條技術(shù)路線，均需采用硝基官能化底物，原料價格昂貴，合成工藝復(fù)雜，已不能滿足綠色化學(xué)的發(fā)展要求。以廉價原料出發(fā)直接硝化制備手性β-硝基醇的新合成技術(shù)具有重要研究價值與應(yīng)用前景。

鹵醇脫鹵酶可以催化鄰鹵醇脫鹵形成環(huán)氧化物，也可以催化親核陰離子（如N₃^-、CN^-和OCN^-等）介導(dǎo)的環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)，生成對應(yīng)的β-取代醇。以鹵醇脫鹵酶為催化劑，以環(huán)氧化物與亞硝酸鹽為底物，通過N-親核開環(huán)反應(yīng)制備手性β-硝基醇具有原料價格低廉、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境相容性好等突出優(yōu)勢，但已報道的鹵醇脫鹵酶選擇性差，難以實現(xiàn)手性β-硝基醇的精準(zhǔn)合成。

柳志強(qiáng)教授長期從事手性醫(yī)藥化學(xué)品的生物不對稱合成研究，具有豐富的理論知識與實踐經(jīng)驗。他帶領(lǐng)課題組跳出傳統(tǒng)的酶篩選改造思路，深入探索反應(yīng)過程的化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性三重控制原理，建立定向基因挖掘策略，獲得一株來源于Acidimicrobiia bacterium的新型鹵醇脫鹵酶HHDHamb。提出酶分子活性中心鹵素結(jié)合域靜電勢調(diào)控底物構(gòu)象理論，通過HHDHamb的晶體結(jié)構(gòu)與分子對接模擬，發(fā)現(xiàn)鹵醇脫鹵酶的鹵離子結(jié)合區(qū)域靜電勢改變了NO₂^-的結(jié)合構(gòu)象，導(dǎo)致NO₂^-的N原子和O原子與底物環(huán)氧環(huán)的空間距離差異，進(jìn)而影響N-親核進(jìn)攻與O-親核進(jìn)攻的選擇性，實現(xiàn)了酶的N-進(jìn)攻開環(huán)化學(xué)選擇性、α-區(qū)域選擇性與S-選擇性的協(xié)同控制。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了pH 5.2 和0.5 ℃的極端生物不對稱硝化反應(yīng)體系，有效抑制了β-硝基醇的消旋化，手性β-硝基醇的分離產(chǎn)率和光學(xué)純度分別達(dá)到41%和>99% e.e. (R)，實現(xiàn)了手性β-硝基醇的高效、低成本精準(zhǔn)合成。

鹵醇脫鹵酶選擇性生物硝化分子機(jī)制

鄭裕國院士團(tuán)隊長期致力于生物有機(jī)合成技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，主動對接“碳達(dá)峰、碳中和”、“健康中國2030”等國家戰(zhàn)略，著力進(jìn)行大宗醫(yī)藥營養(yǎng)化學(xué)品的綠色生物制造關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，取得系列突破性成果，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益，受到學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在此項工作中，團(tuán)隊深入解析了鹵醇脫鹵酶化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性控制原理，成功構(gòu)建了一種高性能選擇性鹵醇脫鹵酶催化劑的發(fā)現(xiàn)方法，建立了生物硝化制備手性β-硝基醇的酶法合成新策略，豐富了手性C-N鍵的酶催化構(gòu)筑方法，為手性β-硝基醇類化合物的綠色生物制造技術(shù)展示了良好的研發(fā)與應(yīng)用前景。

論文信息：Hui-Hui Wang, Nan-Wei Wan, Run-Ping Miao, Cheng-Li He, Yong-Zheng Chen, Zhi-Qiang Liu* and Yu-Guo Zheng. Identification and structure analysis of an unusual halohydrin dehalogenase for highly chemo-, regio- and enantioselective bio-nitration of epoxides. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202205790.

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202205790