天然金属酶使复杂的化学反应变得简单。詹姆斯·米切尔·克劳向生物无机化学家讲述了如何复制它们

从明尼阿波利斯-圣保罗双城(离五大湖不远的美国中西部大都市)向西北方向前进,你很快就会到达广阔、开阔的空间:北美大平原。但继续往前走,最终在距离明尼阿波利斯500英里的地方,你到达了巴肯油田。北达科他州的这一地区是水力压裂的热点地区,也是美国石油的主要来源。

巴肯油田不仅生产石油,还生产甲烷。明尼苏达大学的生物无机化学家劳伦斯·奎(Lawrence Que)解释说,北达科他州的地理位置偏远,目前无法对其进行任何有用的处理。他说:“所以我们正在燃烧甲烷,因为甲烷是比二氧化碳更严重的温室气体。”到了晚上,这片区域灯火通明,以至于像美国的大城市一样明亮在卫星图像中。从经济上讲,运输甲烷是不可行的。我在明尼阿波利斯和巴肯油田之间,几乎什么都没有。”

但也不是完全没有。那里有湖泊,充满了微生物。在这些湖泊的底部居住着产甲烷菌,这种细菌将甲烷作为日常代谢的一部分。

我的职业生涯专注于这些酶的工作原理,以及我们如何开发合成催化剂来实现这些转化

劳伦斯·奎,明尼苏达大学

阙感兴趣的微生物是在湖泊的中心层发现的。“甲烷养菌位于中间,它们可以从底部获取甲烷,从顶部获取氧气,”Que说。把这两种分子结合在一起为它们的存在提供了燃料。Que说,它们将甲烷转化为甲醇,在我们这个时代,这是一个非常有趣的转变。他说,如果我们能像甲烷养菌那样轻易地将巴肯油田的甲烷转化为甲醇,那么运输产生的液体突然变得更加可行。

从甲烷中制造甲醇是一项非平凡的转化,需要打破现有的最强的脂肪族碳氢键。在甲烷养菌中,非血红素铁基酶(称为单加氧酶)驱动转换,进入铁的氧化态+4甚至+5,形成强大的氧化剂,足以破坏像甲烷一样强的碳氢键。

Que并没有试图驯服这种酶本身,而是试图在一个合成体系中重新创造其活性位点的本质,并获得类似的催化性能水平。“在过去30年的职业生涯中,我一直专注于研究这些酶是如何工作的,以及我们如何开发出可以实现其中一些转化的合成催化剂,”Que说。“我目前的目标是能够把一个熨斗(v)复杂的瓶子。”

多步过程

Que是一个大型无机化学家社区的一员,他们希望开发出自然界多种金属酶集合的合成模拟物。美国圣路易斯华盛顿大学的无机和生物化学家威廉·托尔曼说:“我认为许多合成无机化学家看到,大自然对金属所做的事情,正是我们想要合成的事情。”

显示固氮酶蛋白的图像

来源:©科学图片库

发现固氮酶之间的区别没有奖励…

这些金属酶中的许多都掌握了小分子激活,无论是有效地将惰性氮转化为氨,获取高活性物种将植物废物分解为生物燃料,还是选择性地破坏强碳-氢键,都包含了许多其他有趣的当前巨大兴趣的转化。

但在其他方面,金属酶的研究是永恒的。托尔曼指出:“小分子激活是自然界最基本的反应之一。”“想想呼吸和光合作用,这两种反应是万物的基础,它们都是由金属酶进行的。”

弄清楚金属酶如何催化其底物的转化,以便我们能够复制它们,是一个循序渐进的过程。托尔曼说:“在深入研究功能之前,你必须了解它的结构。”在金属酶研究的早期,大约半个世纪前,仅仅发现这些酶的活性位点是一个重大挑战。他说,那时候要建房子要困难得多。在此过程中,许多技术的发展使我们能够更容易、更可靠地获得结构。”

例如,早期获取蛋白质x射线晶体结构的方法在酶上可能非常粗糙。托尔曼说:“当光系统II的锰簇第一次在结构上被描述时,不同实验室的结构有很多差异。”结果发现,这种蛋白质受到了当时用于蛋白质晶体学的强同步辐射的辐射损伤。“一旦发现了这一点,人们就发明了快速同步加速器技术,用辐射脉冲收集晶体结构,以避免所有的伤害。”这样的发展发挥了重要作用。

托尔曼说,生物化学中的结构方法现在已经变得如此复杂,以至于描述金属酶活性位点的结构不再是曾经的障碍,尽管挑战仍然存在。该领域的新前沿是弄清楚酶的反应机制,足够详细,我们可以在合成系统中重现它们的性能。托尔曼说:“有几个领域最近出现了很多活动。”“一种是固氮酶。”

FeMoCo的图片

和铁钼辅助因子的合成模拟物(参考文献2)

固氮酶从大气中吸收氮,并将其强三键分解成氨。这与工业通过哈伯-博世工艺生产化肥所实现的转换是一样的——比任何其他工业化学过程消耗更多的能源,产生更多的二氧化碳排放。

美国康涅狄格州耶鲁大学的无机化学家帕特里克·霍兰德(Patrick Holland)说,让氮起作用是一个非常困难的反应。他说:“我们试图了解大自然在固氮酶中所使用的配位化学,并试图模仿它来帮助理解这种酶,因为我们可能会在合成催化剂中使用一些相同的策略来结合和激活氮。”

固氮酶活性位点的结构暗示了挑战的大小。为了产生氨,固氮酶使用的不是一个铁原子,而是一簇金属和硫原子中的七个铁原子,外加一个钼原子。霍兰德说:“现在越来越清楚的是,这些与硫协调的铁位点之一是氮结合的地方。”但固氮酶活性位点的结构和功能仍有许多微妙之处有待解决。

氨在做梦

甚至固氮酶活性位点的最终结构细节也只是最近才被确定下来。霍兰德说:“多年来,人们知道中间有一些轻原子,但不知道它是碳、氮还是氧,因为通过x射线晶体学,你无法真正区分。”2012年,德国马克斯-普朗克生物无机化学研究所(Mülheim)的塞蕾娜·德比尔(Serena DeBeer)的实验室在揭开神秘原子的面纱方面发挥了关键作用:它是碳,以碳化物的形式与周围的六个铁原子结合。1霍兰德说:“德比尔的团队使用了一种非常奇特的x射线发射技术,x射线被吸收,然后以低能量x射线的形式发射出来,这取决于周围的原子。”

几十年来,人们一直试图在合成系统中重现这种形状,但没有人成功

为了帮助解释酶的x射线发射峰值,霍兰德的团队是向德比尔提供合成复合物的团队之一,这些复合物使他们能够校准他们的技术。霍兰德说,计算可以给你一些提示,但在这种规模的系统上计算真的很有挑战性。“我们的合成复合物基本上可以像罗塞塔石碑一样,让你知道如何解释酶的光谱学。”

Holland和DeBeer以及其他人继续合作,一个小组的工作通知另一个小组的工作。“光谱学家会在酶的数据中看到一些东西,无论是动力学还是一些机械的想法,然后问我们‘这种机制合理吗?铁和硫能做到吗?霍兰德说。来自自然系统的最新见解激发了新的合成模仿者。

对于研究铁硫团簇模拟的合成化学家来说,挑战在于自然系统的巨大复杂性。“固氮酶活性位点有这8种金属,它们的形状很奇怪。没有人知道为什么这种形状是有益的。几十年来,人们一直试图在合成系统中重现这种形状,但没有人成功。这是目前该领域面临的一大挑战。”

与此同时,霍兰德的团队制作了探测活性部位不同方面的合成系统。2015年,该团队创造了一种铁氮配合物,其中金属原子仅由硫原子和碳原子协调,就像自然系统一样。2霍兰德说:“它富含电子,尤其擅长背键。”“我们认为这可能是大自然利用的关键特征之一,硫是一种很好的电子供体,这给金澳门万博公司属带来了很多电子密度,金属可以非常有效地与氮反键,从而更好地还原氮。”“将电子推入二氮分子的反键轨道会削弱氮-氮三键,并有助于使其破裂。

该团队还制作了多铁配合物,以观察铁原子如何协同工作,并制作了包含最近公布的碳化物的结构。霍兰德说:“这些固氮酶是唯一含有碳化物的天然系统,这意味着它在某种程度上对氮活化有用,但没有人真正知道为什么会这样。”综合模型应该能提供一些线索。

合成执照

制造有用的金属酶活性位点的合成模仿者并不一定意味着创造最接近自然系统的复制品。在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的实验室里,Xile Hu最近展示了将一种金属转换为另一种金属是在自然系统的启发下制造实用催化剂的一大步。

胡一直在研究一种氢化酶,这种酶的活性位点上只有一个铁原子作为唯一的金属。澳门万博公司在工业上,催化加氢是最常用的转化方法之一,但合成加氢催化剂几乎完全使用贵金属。酶不太容易获得贵金属,但它们拥有数百万年甚至数十亿年的时间来利用地球上丰富的金属进化出高活性催化剂,Hu说。Hu说,对于很多反应来说,如果我们想要达到高活性水平(使用地球上丰富的金属),我们需要研究酶是如何做到这一点的。

显示氢气气泡的图像

来源:©Alain Herzog/EPFL

金属酶催化的许多反应都与当今的挑战密切相关,比如分解水产生氢

在氢化酶的情况下,许多铁-铁和铁-镍双金属酶的例子是已知的。就在胡开始他的独立事业时,单铁氢化酶被发现了。胡说,建筑结构刚刚显露出来,所以它就像一张白纸。胡的团队和其他人多年的研究表明,这种酶使用协同催化作用,其中金属和部分配体一起工作来激活氢。但在合成模拟物方面,迄今为止生产的铁配合物表现出较差的稳定性。所以胡采取了一种新的策略。他说,我们试图跳出结构和功能模型来思考问题。“试图从结构上模仿酶活性位点是非常困难的。所以我们决定简化它,但采用生物机理的见解,看看我们能设计出什么。”

除了简化的配体结构,该团队还将铁换成了锰。“铁(2)和锰()是等电子的,但通常锰()的化合物比铁更稳定,更容易处理(2)他说。该团队表示,由此产生的催化剂具有迄今为止任何铁氢化酶模拟物中最高的活性和最广泛的底物范围。3.但是新的催化剂的反应模式是对传统加氢催化剂的补充,而不是替代,Hu说。

胡说:“对于许多常见的有机转化,这种模仿酶会竞争,但不一定更好。”“但对于仿生反应,仿生催化剂确实优于其他催化剂。研究小组表明,这种催化剂在不对称接力氢化反应中表现非常好,在这种反应中,催化剂氢化了一种仿生手性铁有机金属配合物,然后这种配合物又不对称地氢化了基底。这一过程类似于自然界使用NADH和NADPH作为氢化物转移试剂的方式。“如果反应具有生物学相似性,那么模拟酶可能比合成催化剂更好。”在这方面,我认为我们会看到更多的例子,在合成化学中很难或未知的反应中。”

铜打电话

在托尔曼的实验室,就像Que的实验室一样,重点是金属酶如何激活氧气。这两个实验室都研究甲烷单加氧酶,Que的研究对象是铁基的例子,而Tolman的研究对象是铜,以及高氧化性铜氧中间产物的性质,这种中间产物能够催化强碳氢键的氧化。

Tolman的小组还研究了铜氧基金属酶,称为溶解多糖单加氧酶(LPMOs),这种酶在2010年才被发现,它可以分解纤维素等顽固的碳水化合物。4细菌、真菌甚至蛀木船虫都被证明能产生这些酶。托尔曼说:“这种酶对生物技术应用非常重要,它被用作生物燃料植物的催化剂,帮助将多糖分解成糖,以产生生物燃料。”该团队一直在试图了解铜氧物种的性质,开发新的铜氧中间体,以观察它们如何反应。

尽管LPMOs是一个不同的酶家族,迄今为止发现了六个不同的类,但它们都具有一个关键结构。5铜原子被两个氮原子结合在一种被称为组氨酸支撑的结构中。铜基甲烷单加氧酶也具有这种特性,这表明它是高价铜氧催化的重要组成部分。迄今为止的研究表明,组氨酸支撑可以去质子化以稳定高价中间体。

从生物学中吸取教训最终将推动新的化学

另一种铜酶,更神秘的氨单加氧酶,是纽约伊萨卡康奈尔大学凯尔·兰卡斯特小组的研究重点。兰开斯特说:“甲烷单加氧酶和氨单加氧酶是相关的——假设的中间产物是某种愤怒的铜氧物种——但对氨单加氧酶几乎一无所知。”这种酶是一种不溶性膜蛋白。“最大的挑战是如何获取蛋白质。没有人净化过它。与此同时,我们可以通过与合成小组合作来了解这些东西是如何工作的。”

兰开斯特与哈佛大学的西奥多·贝特利(Theodore Betley)一起,将碳-氢胺化反应与铜中心作为一个类似的系统进行了研究。“我们认为反应性将是相似的:你生成一种高价中间体,你基本上是在调整配体来为你做很多提升。“该团队一直在测试铜甚至可以被氧化至+3氧化态的概念,收集的x射线吸收光谱数据表明,更好的思考方式是铜周围的配体为金属提供了大量的电子密度。”6到目前为止,该团队已经研究了铜氮物种。“我们最近证明了什么是正式的铜(3)低坐标的亚酰亚胺,较好地描述为铜()硝基,”兰开斯特说。意思是一个中性的N供体,一个几乎裸露的氮原子。“电子密度转移到金属上,形成了一种强大的物种,可以将氮插入碳氢键中。7

兰开斯特说,贝特利的实验室现在正致力于用供氧配体制造复合物,更接近地模仿酶中的“愤怒的铜氧物种”。“我们正在证明,获得亚八隅体或缺乏电子的氧气供体会给你一种能够分裂这些键的活性物种。”我们希望这些教训能转化为酶中发生的事情。”

了解氨单加氧酶活性将填补生物地球化学氮循环研究的空白。兰开斯特说:“这些途径会耗尽土壤中有价值的附加氮,所以如果我们了解了这种酶的工作原理,我们就可以想出聪明的方法来关闭它。”“但我认为,能够选择性地为顽固的碳氢键安装功能,是许多这项研究真正令人兴奋的动力。”从生物学中吸取教训,最终将推动选择性碳氢键功能化的新化学。”

从大自然中获得的新经验没有枯竭的迹象。2013年,荷兰内梅亨大学的微生物学家Huub Op den Camp和他的团队发现了一种极端微生物细菌甲醇脱氢酶具有镧系原子在其活跃的位置-推翻了长期持有的观点,稀土元素不参与生物过程。8兰开斯特说:“这非常出乎意料,已经激发了化学家的灵感。”

兰开斯特补充说:“随着我们在越来越奇怪的环境中发现生物,它们的生活方式越来越奇怪,我们将会发现奇怪的金属酶,这将给我们提供关于可控氧化还原化学的巨大见解。”“如果我们的团队开始更多地关注微生物生态群落,我认为会有非常令人兴奋的新发现。”

詹姆斯·米切尔·克罗是澳大利亚墨尔本的科学作家