Nat commun. | 江南大学刘立明教授揭示一种α-官能化有机酸的简便制备方法

一、成果短讯：

2018年9月19日，江南大学生物工程学院刘立明教授团队在国际期刊NATURE COMMUNICATIONS 发表了题为“ Asymmetric assembly of high-value α- functionalized organic acids using a biocatalytic chiral-group-resetting process的“ 研究成果，报道了

使用生物催化手性基团重置过程不对称组装高值α-官能化有机酸的研究成果。

题目及作者见上图

二、内容简介：

多官能手性小分子如非天然α-氨基酸和α-羟基酸的制备引起了有机化学家的广泛关注，因为它们在化学合成，化妆品和药物制造中起着重要作用。 有实验已经阐述了一些化学和酶促合成方法以提供足够数量的化学品以满足市场需求。 其中，一种特别有吸引力的合成途径是C-H官能化介导的小构件的不对称组装。

然而，现代化学C-H官能化方法在很大程度上依赖于贵金属和不可持续的过渡金属（例如，钯，铑，钌，和铱）和保护基板。因此，一些研究人员已转向使用一些关键酶如苏氨酸醛缩酶（TAS）生物催化方法，以产生有机酸，提供了一种极为简化的方法。另一个有代表性的例子是丙酮醛缩酶，它以丙氨酸和甲醛为原料合成(S)-(R)-2-氨基-4-羟基丁酸。不幸的是，这些方法只能提供有限的产品，如β-羟基-α-氨基酸和L/D-高丝氨酸。

实验报告了一种人工设计的手性基团重置生物催化过程，它使用简单的非手性甘氨酸和醛来合成α-官能化有机酸。该级联生物催化包括基本模块和三个不同的扩展模块，并以模块化组装方式操作。工程的大肠杆菌含有不同模块的催化剂可提供α-酮酸，α-羟基酸和α-氨基酸，具有优异的转化率和对映选择性。因此，该生物催化方法为低成本非手性原料转化为高价值α-官能化有机酸提供了有吸引力的方法。

三、实验结果：

图 1 采用模块化级联生物催化平台合成α-官能化有机酸。a工程模块化级联生物催化平台。b四种通用的基本酶模块。基本模块：苏氨酸醛缩酶（TA）和苏氨酸脱氨酶（TD），用于醛和甘氨酸缩合 - 脱氨基化为α-酮酸; 拓展模块1：羟基异己酸脱氢酶（HicDH）和甲酸脱氢酶（FDH），用于将α-酮酸还原为α-羟基酸; 拓展模块2：ʟ-氨基酸脱氢酶（ʟ-AAD）和FDH，用于将α-酮酸还原成ʟ-α-氨基酸; 拓展模块3：D-氨基酸转氨酶（D -AATA），FDH，谷氨酸消旋酶（GLR）和谷氨酸脱氢酶（GluDH），用于α-酮酸的氨基转移D -α-氨基酸。官能化基团（α-位）和拓展单元（来自醛）分别以红色和蓝色表示。c九种不同的拓展单元，包括芳香族（1a - e），杂芳族（1f），杂环（1g）和脂肪族（1h - i）醛

图2 人工设计的手性组重置级联。a级联1：通过级联BM与EM1重置手性-OH用于 stereodefined α-羟基酸合成  b级联2：通过级联BM与EM2或EM3 重置手性-NH 2用于stereodefined α-氨基酸合成

图3 通过蛋白质工程改善Cg TD对大体积底物的底物特异性。a TA和TD浓度对1a至4a的初始反应速率的影响（用Pa TA和Cg TD酶，2.5mM醛，25mM甘氨酸和50μMPLP进行反应）。b Cg TD对不同底物的活性。cPLP/3I复合物与CgTD活性位点对接。d PLP/3a复合物与CgTD活性位点对接。e连接点的面。f Cg TD _WT的基板接入通道。g CgTD ^{F114A，R229T}的基板接入通道

图4 用大肠杆菌OA02分析生物转化甘氨酸和醛1a–i到α-酮酸4a–i 。 用静息细胞大肠杆菌（OA02）（10g dcw1-1）和1a–i （10mM）在KP缓冲液（50mM，pH8.0,100μMPLP和10％DMSO）中以200rpm一式两份进行反应。 25°C，24小时。

表1 通过级联催化将甘氨酸和醛转化为α-羟基酸的分析的生物转化

表2 级联甘氨酸和醛类生物转化为α-氨基酸的生物催化分析

四、原文学习：