科技日报记者 陈曦
12月5日，杭州师范大学郭瑞庭教授团队与湖北大学合作，在国际期刊《美国化学会催化学报》上发表了一项突破性研究。他们成功对一种名为AetF的天然卤化酶进行“理性设计”，获得能够按照指令、在色氨酸分子特定位置进行单次卤化或“混合卤化”的新型酶变体，并首次实现了“一锅法”高效合成具有重要应用价值的混合卤代色氨酸，为复杂卤化分子的绿色生物制造提供了全新的范式。
卤素，如氯、溴、碘，在自然界和我们的生活中无处不在。在药物分子中巧妙地引入卤素原子，就像是给分子装上了一个关键的“开关”，常常能显著改变其生物活性，从而优化药物的疗效和性质。然而，如何在复杂的分子骨架上，精准地在特定位置“安装”上指定的卤素原子，一直是化学合成领域的一项重大挑战。
传统的化学卤化方法往往依赖于有毒试剂和苛刻的反应条件，不仅不够环保，也难以精确控制反应位点，容易产生不必要的副产物。面对这一难题，科学家们将目光投向了自然界中高效且精准的卤化酶。
该研究的主角AetF酶，来源于蓝细菌。它与许多需要“帮手”才能工作的“双组分”卤化酶不同，是一种将卤化与还原两种功能集于一身的“单组分”酶，结构更为精简。
然而，天然的AetF酶有其固定的工作模式：在催化色氨酸卤化时，它会严格遵循“先在第5位（C5）、再在第7位（C7）”的顺序进行“流水线作业”，最终生成5,7-二卤代色氨酸。这种固化的工作模式虽然保证了自然产物的一致性，却限制了它在人工合成中用于生产特定单卤代产物或混合卤代产物的灵活性。
“我们以高分辨率的蛋白质三维结构为‘蓝图’，对AetF酶进行了精密的‘理性设计’。”论文第一作者博士生李豪进一步介绍，团队首先解析了AetF与底物色氨酸结合的精细结构，通过分析最终锁定了一个关键残基S523。当将其突变为丙氨酸后，得到的突变体AetF-S523A在C7位的卤化活性大大降低，变得更倾向于只在C5位进行一次卤化。
研究人员发现，这个突变体仍保留了一丝“二次加工”的微弱能力。为了彻底关闭其“第二次卤化”功能，他们进一步对底物结合口袋进行了“精装修”，通过引入体积更大的异亮氨酸和苯丙氨酸残基，在C5位卤化后产物周围巧妙地构建起“空间位阻”，如同设置了路障，有效阻止了酶对C7位的再次访问。
最终获得的“三突变体”——AetF-AIF，展现出了近乎完美的C5位点特异性单卤化能力。这是首个通过理性设计成功改造获得的、具有严格单卤化活性的“单组分”色氨酸卤化酶。
郭瑞庭介绍：“基于改造成功的AetF-AIF突变体（擅长C5单卤化）和野生型AetF（擅长连续C5、C7卤化），我们构思了一个巧妙的‘一锅法’反应策略。”团队通过简单地调整反应体系中卤素盐（如溴化钠、碘化钠）的添加顺序，成功地在同一个反应容器内，高效合成了两种不同的混合卤代色氨酸：5-溴-7-碘色氨酸和5-碘-7-溴色氨酸，产率分别高达85%和70%。这一过程无需对中间产物进行繁琐的分离纯化，大大简化了合成步骤。
这项成果意味着，未来科学家们或许能够像“定制”工具一样，设计出各种具有特定功能的卤化酶，从而以更环保、更高效的方式，合成出更多具有特定功能的卤化药物分子和化工产品，也为开发更加绿色、经济的药物中间体及精细化学品的生物合成路线奠定了坚实的基础。
（受访者供图）
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