手性環(huán)氧化合物是合成醫(yī)藥、香料和功能材料的重要中間體。檸檬烯作為萜烯化合物，其手性環(huán)氧產(chǎn)物在手性試劑和生物基聚合物制備方面具有應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)有的生物催化方法存在底物負(fù)載量低、產(chǎn)物收率不高、立體選擇性差等問(wèn)題，制約了其工業(yè)應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、巴基斯坦伊斯蘭堡COMSATS大學(xué)等，將苯乙烯單加氧酶應(yīng)用于脂肪族萜烯的環(huán)氧化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了檸檬烯的高立體選擇性環(huán)氧化，為可再生原料制備高價(jià)值手性環(huán)氧化物提供了新策略。

該研究篩選了18種不同來(lái)源的苯乙烯單加氧酶，發(fā)現(xiàn)來(lái)自Streptomyces gardneri的SgStyA表現(xiàn)出獨(dú)特的反式選擇性和較高的催化效率。AlphaFold結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和分子對(duì)接分析確定了控制立體選擇性的三個(gè)關(guān)鍵殘基位點(diǎn)即F50、F194和V209。

進(jìn)一步，該研究通過(guò)系統(tǒng)的定點(diǎn)突變與組合突變揭示了“位阻調(diào)控”立體選擇性的機(jī)制：第50位和第209位殘基的大小共同決定產(chǎn)物的立體構(gòu)型。基于這一機(jī)制，研究構(gòu)建了三個(gè)關(guān)鍵突變體——SgStyA-M1具備順式選擇性，SgStyA-M2為順式選擇性，SgStyA-M3表現(xiàn)出反式選擇性。這些突變體對(duì)(R)-(+)-檸檬烯表現(xiàn)出優(yōu)異的立體選擇性，并對(duì)(S)-(-)-檸檬烯顯示出互補(bǔ)的立體選擇性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了四種手性純檸檬烯-1,2-環(huán)氧化物的高效制備。

為闡明立體選擇性調(diào)控的分子機(jī)制，該研究開(kāi)展了分子動(dòng)力學(xué)模擬。結(jié)果顯示，第50位殘基的大小影響底物的接近程度，第194和第209位殘基通過(guò)空間位阻協(xié)同調(diào)控底物的結(jié)合取向。在SgStyA-M1中，較小的Leu50允許底物更接近，配合較大的Phe194和Ile209引導(dǎo)底物形成利于順式環(huán)氧化的構(gòu)象；在SgStyA-M3中，體積較大的Trp50阻止底物過(guò)度接近，較小的Met194和Val209為底物提供足夠空間，形成利于反式環(huán)氧化的構(gòu)象。同時(shí)，在放大制備實(shí)驗(yàn)中，以SgStyA-M2和SgStyA-M3全細(xì)胞催化4 mM (R)-檸檬烯，產(chǎn)物的收率分別達(dá)到83.1%和83.6%。

上述研究將苯乙烯單加氧酶的底物范圍拓展至脂肪族萜烯類化合物，豐富了生物催化立體選擇性環(huán)氧化的酶工具箱，也為基于可再生資源綠色合成高附加值手性化合物提供了可持續(xù)的新途徑。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)-催化》（ACS Catalysis）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。