■采访人员 李晨
化妆品、药品、化学品等工业制备中有一种重要的中间体，就是苯甲醇 。传统用化学法生成苯甲醇的工艺过程繁琐，且会生成大量污染环境的副产物 。苯甲醇能否实现绿色高效生产，一直是工业界和学术界共同关注的问题 。
湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室教授李爱涛、陈纯琪和郭瑞庭团队合作，成功解决了这一难题 。他们首次解析了万能酶——细胞色素P450tol及其复合体晶体结构，并基于此构建了一种活性和稳定性均明显提升的人工融合酶，实现了苯甲醇的高效绿色合成 。相关研究成果2月14日在线发表于《美国化学会志—催化》，并被选为封面文章 。
万能酶P450的神奇定向进化
论文通讯作者李爱涛告诉《中国科学报》，苯甲醇工业生产采取两步法，以甲苯为原料，用剧毒的氯气和强碱氢氧化钠，才能实现甲苯中惰性C-H键的官能团化，制备出苯甲醇 。
“C-H键具有较高的解离能、较高的热力学稳定性和较低的化学反应性，因此，C-H键官能团化是传统化学合成中一个极大的难题 。”李爱涛说 。
能不能找到一种办法，将甲苯绿色高效地转化为苯甲醇呢？李爱涛及其团队想到了酶这种地球生命中最强大的化学工具 。
通过理性设计和定向进化手段，酶展现出在生物催化领域的强大功能 。其中，细胞色素P450酶能够识别多种参与生化反应的物质（即底物），利用基因工程改造P450酶来量身定制化学反应，成为一个热门研究方向 。2018年诺贝尔化学奖得主阿诺德，就是利用P450酶的定向进化实现了各种特殊的化学反应而获奖 。
在前期研究中，李爱涛从甲苯降解菌中鉴定出一种特殊的P450酶，命名为P450tol 。它以甲苯为底物，生成专一的产物苯甲醇 。这是迄今发现的唯一可以天然催化甲苯生成苯甲醇的酶 。然而，P450tol三维结构信息的缺乏，限制了针对P450tol的基础研究与未来的应用 。
揭开特殊P450酶的神秘面纱
改造高效的P450tol，必须先揭开酶结构的面纱 。
2020年5月，郭瑞庭团队在世界上首次解析了一种自给自足P450酶的全长晶体结构，获得了广泛关注 。为此，李爱涛团队和郭瑞庭团队展开了合作 。郭瑞庭说，这次合作解开了P450tol的结构谜团 。
【苯甲醇|用了万能酶，苯甲醇合成终于“绿了”】在这项研究中，郭瑞庭、陈纯琪团队顺利解析了P450tol的空结构及其与底物甲苯及产物苯甲醇的复合体结构 。通过这些结构信息，精准揭示了P450tol由甲苯通过一步反应生成苯甲醇且没有副产物生成的酶结构与催化机制 。
陈纯琪告诉《中国科学报》，P450酶的活性区都会带一个血红素分子参与催化反应，这次解析的P450tol也不例外 。底物甲苯位于由一系列疏水的氨基酸组成的口袋中，甲苯的甲基朝向血红素中心的铁离子，两个氨基酸分别位于底物的两侧，牢牢钳住了甲苯的苯环，甲苯前方还有一个氨基酸负责固定整个甲苯的位置 。
“这样，催化反应发生时就可以精确地发生在苄基位，而不是其他任意的位置 。如此精巧的反应也只有酶可以做到 。”陈纯琪说 。
他们在P450tol与苯甲醇的复合体结构中看到了类似的现象，只不过苯甲醇的羟基代替甲苯的甲基朝向血红素中心的铁离子 。
“我们还观察到了一个非常有意思的现象，甲苯或苯甲醇并不能将P450tol的活性区完全占据，还有一些多余的空间，所以我们猜测P450tol或许可以结合比甲苯或苯甲醇更大一些的底物 。”陈纯琪说 。
进一步实验结果与推测的一致，P450tol也可以与一些卤代甲苯形成复合体，且可以精确地在苄基位发生羟基化反应 。
推荐阅读
- 饵料|才发现，4款饵料“不出名”却很好用，甭管第几个，用了准上鱼
- 玉米|“淀粉”和“生粉”有啥区别？很多人不懂，看完文章后别再乱用了
- 牛肉|年夜饭，我用了3天做了12道菜，嫂子：星级酒店6000一桌比不上
- 石狮市|炒木耳，总是“噼里啪啦”爆？教一招，不炸锅不溅油，太实用了
- 手机号不用了不注销后果怎么样（手机卡不注销会怎么样）
- 芹菜|别再为戚风蛋糕发愁了，这配方我用了十年，不塌陷不回缩爆发力强
- 西湖醋鱼|饺子调馅时，顺手加2滴“它”，提鲜10倍，我家用了20年老方子！
- 粉底液和气垫都要用吗（粉底液和气垫两个都需要用吗）
- 发面团怎么发（发面团步骤）
- 银杏果生吃会怎么样（生吃银杏果的后果）