Группа исследователей под руководством профессора Сяоцяна Хуана из Нанкинского университета разработала новую ненатуральную динамическую кинетическую систему окисления. Для этого ферроценовое катализирование, опосредованное метанолом, было интегрировано с катализом, зависящим от тиаминдифосфата (ThDP), что стало значительным достижением в области асимметричного электроэнзиматического катализа.
Работа, поддержанная измерениями электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на установке стационарного сильного магнитного поля в Институте физики в Хэфэе Китайской академии наук, опубликована в журнале Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-025-09178-6).
Возрождение электрохимии в синтетической химии
Электрохимия вновь обретает популярность в синтетической химии благодаря своей устойчивости и уникальным режимам активации. Хотя естественные ферменты были адаптированы с помощью таких инструментов, как направленная эволюция и фотоэнзиматический катализ, интеграция ферментов с электричеством для достижения новых для природы реакций долгое время ограничивалась проблемами совместимости и неэффективным переносом электронов.
Чтобы преодолеть эти трудности, команда профессора Хуана гениально объединила ферроценовый метанол в качестве переносчика электронов с ThDP-зависимыми ферментами. Путем модификации активного центра фермента с помощью направленной эволюции и введения двухступенчатого механизма одноэлектронного окисления они успешно запустили ненатуральное ферментативное превращение, управляемое электричеством.
Механистические исследования
Механистические исследования, включая циклическую вольтамперометрию и низкотемпературный ЭПР, подтвердили, что медиатор эффективно обеспечивает одноэлектронный перенос между электродом и промежуточным звеном Бреслоу фермента. Соответствующие промежуточные свободные радикалы были чётко обнаружены с помощью ЭПР.
Используя эту электроэнзиматическую платформу, команда достигла эффективного окисления α-разветвлённых альдегидов, что позволило синтезировать различные (S)-профены — ключевые промежуточные соединения в противовоспалительных препаратах — с энантиомерным избытком до 99%. Процесс оказался эффективным при загрузке фермента всего 0,05 моль% и может быть применён с использованием цельноклеточных биокатализаторов.
Дальнейшие механистические исследования показали, что сконструированный электрофермент выполняет множество функций: он точно распознаёт субстраты, ускоряет рацемизацию и обеспечивает кинетически синхронизированный перенос электронов, делая систему высокоэффективной и селективной.
Это исследование открывает новую главу в биокатализе, предоставляя надёжный электроэнзиматический подход для разработки ненатуральных трансформаций и расширяя набор инструментов для асимметричного синтеза в зелёной химии.
Предоставлено Китайской академией наук (https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/)