“這項工作拓展了利用光酶催化實現不對稱轉化的反應型別，併為開發光酶催化非天然反應提供了一種新思路。兩位審稿人都認為這是光酶催化領域的一次重大突破。”目前正在美國康奈爾大學從事博士後研究的孫尚政表示。
圖 | 孫尚政（來源：孫尚政）
這項成果的內涵在於：手性雜環化合物廣泛存在於藥物分子和生物活性分子中，而本次研究為合成手性雜環化合物提供了一種新策略。
舉例來說，假如我們利用商品化 8-氨基喹啉作為起始原料，透過 N-烷基化、光酶催化的脫羧烷基化這兩步反應，即可實現抗人鉅細胞病毒化合物的高效不對稱合成。
此前文獻和專利中的方法普遍需要 7 步，而本次發展的光酶協調催化策略，不僅簡化了合成路線，同時更加綠色、更加經濟。
（來源：Nature Catalysis）
據瞭解，高效、精準地構築手性分子，對於生命科學、材料科學和藥物化學具有重要意義，也是合成化學的前沿研究方向之一。
歷經一個多世紀的探索和發展，手性物質合成已經進入嶄新的發展階段，激勵著有機化學家朝著難度更高的化學問題發起挑戰。其中，高活性自由基中間體的立體選擇性轉化，正是亟需解決的難題之一。
憑藉酶活性口袋獨特的空間結構，自由基中間體可以降低反應活化能，從而對反應過程進行調控，進而可以在溫和條件之下，讓自由基中間體的選擇性（立體、化學、區域選擇性）等發生轉化。
同時，對於自由基中間體的蛋白骨架來說，可以透過基因編輯進行修飾改造，從而更有利於反應活性和選擇性的最佳化。
此前，美國康奈爾大學團隊和美國伊利諾伊大學團隊，基於黃素依賴烯烴還原酶和煙醯胺依賴酮還原酶，透過可見光協同催化的手段，實現了一系列高活性自由基中間體的不對稱轉化。
然而，此類反應都需要採用親電自由基前體，並透過單電子還原機制來生成自由基，而且大多依賴於酶與底物生成電子給體-受體複合物的反應，這就導致底物範圍比較受限。
據瞭解，利用氧化機理可以生成自由基，從而能夠極大地豐富自由基前體的官能團類別（比如胺和羧酸）等。但是，由於透過氧化氨基酸側鏈，可以猝滅黃素的激發態，導致這種催化反應面臨著一定挑戰。
（來源：Nature Catalysis）
“為何不嘗試外加光催化劑？”
而在本次研究之中，孫尚政和所在團隊向黃素依賴性烯還原酶中新增外源性
Ru(bpy)32+輔助因子，藉此實現了氨基酸底物與乙烯基吡啶發生氧化還原中性脫羧偶聯反應，這一反應具有優異的化學選擇性和對映選擇性，且具有良好的官能團相容性。
此外，課題組還發現立體互補酶可以獲得產物的兩種對映體。機理研究表明：Ru(bpy)32+與蛋白質的結合，有助於將自由基的形成和終止，定位到酶的活性位點。
最初，該團隊設想直接利用激發態的黃素，來氧化氨基酸型別的底物，從而生成自由基物種。
然而，蛋白骨架的氨基酸側鏈例如酪氨酸、色氨酸或半胱氨酸，同樣可能被氧化，從而導致催化劑萃滅以及蛋白失活。
於是，他們調整了思路：即透過基因突變將蛋白骨架中易被氧化的氨基酸序列突變掉，這樣不僅可以延長黃素的激發態壽命，同時可以達到提高反應活性和立體選擇性的目的。
孫尚政說：“實驗證明我們的設想是可行的，很快我就拿到了不錯的結果。但在反應最佳化過程中，遇到了很多問題以至於課題被迫停滯。”
不過在這期間他也一直在尋求解決辦法。考慮到其所在實驗室在自由基的不對稱轉化上，已經積累了非常成熟的經驗。
特別針對此類酶在手性控制上的機理研究已經十分透徹，因此只需解決如何氧化脫羧生成自由基的問題，即可繼續推進本次研究。
“於是我就想為何不嘗試外加光催化劑來解決此問題呢？最初有這個想法的時候，我一直無法說服自己，感覺這樣會讓課題的 novelty 不夠，可能發不了頂刊。”孫尚政說。
後來他與當時的同事博士（現西湖大學化學系教授）討論時，對方立即打消了他的疑慮。後者表示：“這個方向也是我們課題組一直想做的，其實是更有意義的，因為這個策略有可能讓反應更 general，從而克服酶催化反應底物侷限的問題。”
果不其然，這一策略的確能夠解開這一問題。接著，孫尚政繼續開展反應最佳化、底物拓展、以及反應機理研究等。
此外，由於孫尚政此前主要學習過渡金屬催化，對於酶催化可謂是零基礎。從基礎的蛋白表達純化到設計引物、生物學的（PCR，Polymerase Chain Reaction）、基因突變等都要從頭學起。
“在這裡也要感謝幾位同事，特別是博士和博士（現中國醫學科學院醫藥生物技術研究所研究員）的熱心幫助和鼓勵。”其表示。
投稿一波三折，導師也曾自我懷疑
事實上，投稿階段也是一波三折。“首先被我的導師 信心滿滿地投到 Science，三週之後 Science 編輯部表示稿件被退回。再投 Nature，等了將近一個月依然被拒。但是 Nature 編輯建議轉投 Nature Chemistry。”孫尚政說。
考慮到 Nature Chemistry 的審稿流程一般更長，而孫尚政又亟需發表這份論文來為找工作做準備。為了儘快見刊，他和導師想過把論文投到 JACS。
“其實不僅僅是因為我需要這篇論文來找工作，還有連續被拒稿的失落、以及投稿等待中的焦慮。之前發表過很多論文，也從未有過這種焦慮，或許是因為對於這份研究我傾注了太多精力，也太渴望得到認可。 的情緒也很低落，甚至對自己的科研判斷產生懷疑。”孫尚政說。
好在他們沒有倉促投稿，冷靜一個週末之後， 告訴孫尚政：“我們可以試一試 Nature Catalysis, 這個雜誌比 Nature Chemistry 快一些，或許對你找工作有幫助。”
隨後的轉投非常順利，很快他們就收到來審稿人的正面評審意見。“從研究開題到論文見刊歷時兩年，有壓力，有沮喪，也有喜悅！”孫尚政表示。
最終，相關論文以《使用協同光酶催化的對映選擇性脫羧烷基化》（）為題發在 Nature Catalysis（IF 37.8）。
孫尚政是第一作者，美國康奈爾大學教授託德·海斯特（）（現為美國普林斯頓大學教授）擔任通訊作者 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Catalysis）
和投稿過程同樣曲折的，還有孫尚政的學習經歷，但他同時也是幸運的。總體來看，其學習經歷跨越中國、西班牙和美國三個國家。
其本科和碩士分別畢業於山東中醫藥大學和上海大學。碩士期間，他曾在中科院上海有機化學研究所學習，期間從事廉價過渡金屬催化的碳氫鍵活化反應研究。
碩士畢業之後，他來到西班牙加泰羅尼亞化學研究所讀博，期間主要研究催化烯烴區域選擇性和立體選擇性的官能團化反應，並曾成功將化石原料轉化為高附加值的有機化學品。
碩博期間他一共發表論文 20 篇。其中以第一作者和共同一作身份在 JACS 發表 3 篇論文、在 Angew. Chem. Int. Ed. 發表 4 篇論文。期間也曾獲得國家優秀自費留學生獎學金、禮來博士生獎學金、西班牙政府博士研究生獎學金等獎勵。
2021 年，他來到美國康奈爾大學從事博士後工作，期間主要研究如何開發新穎的光酶協同催化體系，以及如何實現自由基中間體的立體選擇性轉化。目前，他仍在康奈爾大學做博後，也正在積極尋求回國工作的機會。
參考資料：
1.Sun, SZ., Nicholls, B.T., Bain, D.et al. Enantioselective decarboxylative alkylation using synergistic photoenzymatic catalysis. Nat Catal (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-01065-5
排版：Euodia
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