新型含铁金属酶和仿生物无机体系催化反应机理的理论研究

Enzymes are indispensable elements to sustain life of all biological systems. Metalloenzymes, which use metal ion to catalyze many essential and challenging redox reactions as well as Lewis-acid catalyzed reactions, are a special class of enzymes. Recently, scientists discovered several new metalloenzymes or obtained higher-resolution crystal structures. Meanwhile, advancements in technology and industrial development have brought about serious environmental pollution. Biomimetic green catalysts also become recent hot research topics. Currently, theoretical studies on these works still lag behind, especially accurate description of complex electronic structures of the metals. To deeply understand and study reactions catalyzed by a few novel iron-containing metalloenzymes and biomimetic catalysts, we will apply multi-scale simulation methods (such as quantum mechanics (QM), molecular mechanics (MM), hybrid QM/MM and molecular dynamics (MD) methods) in this project. The proposed study will elucidate detail reaction process (e.g. active-site structure, kinetics, rate-determining step and stereo-selectivity) and accurately describe microscopic effects of electron structures as well as protein environments. This study should also provide systematic understanding on iron-containing metalloenzymes and biomimetic catalysts. Hopefully, on the basis of these mechanistic studies, we can help rational design and improve metalloenzymes and biomimetic catalysts.

生物酶是维持所有生物生存不可或缺的元素。金属酶是特殊的生物酶，它利用金属离子催化许多重要和困难的氧化还原反应以及路易斯酸催化反应。近年来，科学家们发现一些新的金属酶或获得更高分辨率的酶晶体结构。同时，科技的进步和工业的发展带来严重的环境污染，仿生绿色催化剂也成为最近的研究热点。目前，上述方面的理论研究仍然相对滞后，特别是准确描述金属离子复杂的电子结构。为了深入理解和研究几种新型含铁的金属酶和仿生催化剂催化反应过程，本项目将应用多尺度模拟方法（如量子力学(QM)，分子力学(MM)，混合量子力学/分子力学(QM/MM)和分子动力学(MD)等方法），详细阐明反应过程（如活性中心结构，热力学，决速步和立体选择性等），精确描述电子结构和蛋白环境的微观效应。本研究将对含铁金属酶和仿生催化剂催化过程有系统性理解和认识。在这些机理研究的基础上，我们希望本项研究工作有助于金属酶和仿生催化剂的理性设计和改进。

生物酶是维持所有生物生存不可或缺的元素。金属酶是特殊的生物酶，它利用金属离子催化许多重要和困难的氧化还原反应以及路易斯酸催化反应。近年来，科学家们发现一些新的金属酶或获得更高分辨率的酶晶体结构。同时，科技的进步和工业的发展带来严重的环境污染，仿生绿色催化剂也成为最近的研究热点。目前，上述方面的理论研究仍然相对滞后，特别是准确描述金属离子复杂的电子结构。为了深入理解和研究几种新型的金属酶和仿生催化剂催化反应过程，本项目应用了多尺度模拟方法（如量子力学(QM)，分子力学(MM)，混合量子力学/分子力学(QM/MM)和分子动力学(MD)等方法），详细阐明反应过程（如活性中心结构，热力学，决速步和立体选择性等），精确描述电子结构和蛋白环境的微观效应。同时，本研究也探索了几种金属催化有机反应的机理。本研究对金属酶和仿生催化剂催化过程有了一些新理解和认识。在这些机理研究的基础上，我们希望本项研究工作有助于金属酶和仿生催化剂的理性设计和改进。