基于脂肪酸生物合成脂肪烃的酶催化脱羧及脱甲酰基机理研究

The production of renewable energy and materials is recognized as one of the key challenges in the 21st Century. In 2010, Schirmer et al. revealed the pathway of alkane biosynthesis, which triggered the research boom of the synthesis of hydrocarbon fuel by fatty acids. Although some proteases have been found to catalyze the biosynthesis of hydrocarbons, the catalytic efficiency and selectivity are low, and their catalytic mechanisms are still unclear. Understanding the mechanism can provide the basis for engineering optimization and application. This project aims to explore the reaction mechanisms of these enzymes based on the recently obtained crystal structures, using multiple quantum chemistry methods. Since all these enzymes contain the heme or non-heme iron core centers and the catalysis processes involve complex electronic structure changes, oxidation-reduction reaction and radical transfer. In this project, we try to illuminate the mechanisms and features of catalysis by studying the changes of electronic structures of the iron center, and understand how the spin states are influenced by the ligands of iron. Moreover, the roles of crucial residues and the key factors to determine the activity and the substrate-, stereo- and region-selectivity will be recognized. This project will form the basis for further experiments and applications.

可再生能源与材料的生产是21世纪的主要挑战之一。2010年Schirmer等人揭示了烷烃的生物合成途径，引发了由脂肪酸通过脱羧或脱甲酰基合成烃类的研究热潮。虽然已发现了一些能催化烃类合成的蛋白酶，但它们催化效率低、催化机理不明确。弄清这些酶的催化反应机理是工程优化和应用的重要科学基础。本项目拟以晶体结构为基础，在原子、分子水平上研究基于脂肪酸生物合成脂肪烃的脱羧和脱甲酰基机理。由于这些酶都含有血红素或非血红素铁核心，其反应过程涉及复杂的电子结构变化、氧化还原及自由基转移，本项目将通过研究不同酶活性中心的电子结构和几何结构变化系统地揭示酶催化C–C键断裂的动态机制，考察与Fe配位的残基对Fe核心自旋性质的影响，探讨Fe配位中心结构与催化活性之间的内在联系，阐明一些关键残基在催化中所起的作用，找出决定底物选择性和反应选择性的主要因素，为提高酶催化效率、实现烃类物质的生物合成奠定必要的理论基础。

能源消耗的增加、化石资源的减少和环境问题对再生能源的研发提出了严峻挑战,近年来,烷/烯烃的生物合成是该领域的研究热点之一,因为脂肪烃类不仅是高值化学品,而且是理想的可再生燃料。目前已发现了一些能催化烃类合成的蛋白酶,但它们催化效率低、催化机理不明确，阐明这些酶的催化反应机理可为相关实验研究和工程优化奠定重要科学基础。本项目提出以晶体结构为基础，研究基于脂肪酸生物合成脂肪烃的脱羧和脱甲酰基机理。项目于2017年8月获批准。. 在项目执行期间，主持人按研究计划应用理论化学方法系统研究了一系列脂肪酸脱羧酶包括月桂酸脱羧酶(UndA)、铁卟啉氧化脱羧酶(ChdC)及异腈基合成酶(ScoE)等催化的脱羧和脱甲酰反应机制；主持人还时刻关注该研究领域的国内外动态，针对具体情况及新报道的一些晶体结构，增加了对吡咯喹啉醌B羟化酶(PqqB)、半胱氨酸双加氧酶(CDO)、细胞色素P450酶TleB等催化机理的探索。通过深入系统的研究，从理论上阐明了酶催化脱羧及脱甲酰基过程的微观机理，包括：1）揭示了脂肪酸脱羧/脱甲酰酶活性中心的电子结构特点及不同酶催化体系对底物的识别及活化机制；2）阐明了一些野生酶在催化脱羧及脱甲酰反应表现出非常低活性的主要原因；3）针对一些特定催化脱羧酶提出了有效提高其催化活性的策略。项目研究结果可为相关酶的实验研究及烃类燃料的生物合成提供必要的理论基础。. 通过四年的努力，完成了预定的研究目标和任务，项目研究结果在国际有较高影响的刊物上发表SCI研究论文25篇及1篇中文综述，其中在影响因子10.0以上的刊物上发表论文3篇 (ACS Catalysis 2篇，Nature Comm. 1篇)，5.0以上的刊物上发表论文15篇，培养博士生6人，硕士生7人；邀请国外专家讲学2人次，参加国际交流会议2人次，国内学术会议12人次。