单加氧酶/脂肪酶双酶串联催化从酮合成手性聚酯的研究

Stereoselective polymerization for the preparation of valuable chiral polymers is one of the most important topics in the field of polymer synthesis. Basing on the special interest in the chiral polyester, the problem of the enzymatic ring-opening polymerization (ROP) and the advantages of the Baeyer-Villiger Monooxygenase for the preparation of chiral lactones, herein we design a novel synthesis route of chiral polyesters starting from ketones under the tandem catalysis of Baeyer-Villiger Monooxygenase and lipase. This project plans to carry out rational design for some important amino acid residues in the active site of Baeyer-Villiger Monooxygenase and thus achieve its controllable stereoselectivity for a series of ketones in order to efficiently obtain R- or S-lactones. Furthermore, the optimization for the lipase-catalyzed ring-opening polymerization using R- or S-lactones as starting materials will be performed. Finally, we will develop this novel double enzymatic tandem catalysis strategy to synthesize a series of R- or S-polyester starting from much cheaper ketones. This project will push forward the development of enzymatic polymerization and the research field of chiral polymers, and expand the wide application of directed evolution of protein in the polymer science.

开展立体选择性的聚合反应研究，制备具有重要应用价值的手性聚合物，是当前高分子合成领域中具有重要科学意义的课题之一。因此，基于对手性聚酯的特别兴趣、和脂肪酶催化内酯开环聚合（ROP）中存在的问题、以及单加氧酶催化Baeyer-Villiger反应（BVO）制备内酯的优点，本项目设计了新颖的“单加氧酶/脂肪酶双酶串联催化从酮合成手性聚酯”方法；通过对单加氧酶进行蛋白质理性设计和改造，调控单加氧酶催化BVO反应的选择性，实现不同构型手性内酯的高效合成；并进一步探索脂肪酶催化手性内酯的ROP反应对合成手性聚酯的分子量、产率以及手性纯度的影响；在此基础上，建立双酶串联催化从外消旋取代酮到手性聚酯合成的新方法，实现一系列R-和S-手性聚酯的选择性可控合成。本项目的研究对于推动酶促绿色聚合方法的发展，和酶定向进化技术在高分子领域的应用，以及手性高分子合成和性能研究，都具有重要的科学意义和应用价值。

开展生物酶催化的立体选择性聚合反应研究，拓展酶定向进化技术在高分子领域的应用，从而实现具有重要应用价值手性聚合物的绿色高效制备，是当前高分子合成领域中具有重要科学意义的课题之一。本项目围绕原定研究要点，完成了以下几部分的研究内容。我们首先利用课题组发展的聚焦理性设计迭代定点突变（FRISM）的策略实现环己酮单加氧酶（CHMO）对一系列不同取代结构外消旋酮的BV氧化反应立体选择性调控，利用不同的突变株可以分别获得具有高光学纯度的各种取代内酯，并对这些突变株的立体选择性增强或反转机理进行了理论计算和分析；基于此，项目组建立了基因工程改造单加氧酶与脂肪酶串联催化从酮起始制备各种取代的R/S-构型手性聚酯的新方法；此外，本项目还进一步发展了脂肪酶/化学串联方法制备分别具有R/S-构型手性聚酯的两种新型路线，以及具有精确序列结构和R/S-构型的聚天冬氨酸酯酶促可控合成方法；最后，项目组还对这些手性构型互补聚酯的热学、聚集体组装、立构复合物形成等性质进行了探索，发现这些手性聚酯可以形成微球、螺旋纤维等不同形貌，而溶剂极性、聚合物溶液浓度、立构规整度以及主链不饱和结构等因素都对自组装形貌有一定的影响与调控作用。经过四年努力，已完成了预定的研究任务和相关的扩展研究，取得了丰硕的成果，已在《Nature Communications》、《Journal of the American Chemical Society》、《Angewandte Chemie-International Edition》、《ACS Catalysis》、《Chemical Communications》，《ACS Macro Letter》，《Biomacromolecules》等期刊上发表相关SCI论文17篇，在国内外会议上做口头报告8篇，培养硕、博毕业生8位。本研究有助于推动酶蛋白质工程和绿色聚合反应方法的发展，在相关领域有重要的应用前景。