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图 酶催化立体选择性分子间Diels-Alder反应
在国家自然科学基金项目（批准号：21625201, 21961142010, 91853202）资助下，北京大学雷晓光团队受到桑科植物中D-A类型天然产物生物合成的启发，发现自然界中首例exo选择性的分子间Diels-Alder反应酶。该研究成果以“Enzymatic control of endo- and exo- stereoselective Diels-Alder reactions with broad substrate scope （底物普适的基于酶催化的endo- 和exo-立体选择性狄尔斯-阿尔德反应）”为题，于2021年12月10号发表在《自然?催化》（Nature Catalysis）期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-021-00717-8
传统的化学合成工艺存在效率低和污染等瓶颈问题。基于酶催化的生物合成工艺，具有过程绿色、选择性好等优势。因此，开发新的酶催化工具箱进而推动酶催化，在工业上更为广泛的应用，有助于实现化学品的生物绿色制造。
狄尔斯-阿尔德反应（Diels-Alder reaction，简称D-A反应）是共轭双烯（二烯体）与取代烯烃（亲二烯体）之间发生的[4+2]环加成反应，是合成化学中构建C-C键最常用的方法之一。虽然目前已有一些高立体选择性D-A反应酶的报道，但它们一般催化的是分子内D-A反应，且往往仅能产生单一的endo构型产物，而合成应用价值更高的exo选择性的分子间D-A反应酶非常少见，极大限制了D-A反应酶在化学合成中的应用。
受到桑科植物中D-A类型天然产物生物合成的启发，研究团队在其前期D-A反应酶研究基础上(Nat. Chem., 2020, 12, 620-628)，从白桑中进一步挖掘和鉴定到两类FAD依赖蛋白。其中一类FAD依赖蛋白（MaDA-1）具有与已知endo选择性D-A反应酶MaDA相同的功能，而另一类FAD依赖蛋白（MaDA-2和MaDA-3）催化了罕见的exo选择性的分子间D-A反应。研究团队证实了这类D-A反应酶具有良好的底物适用性以及立体选择性，对D-A产物的精准高效合成具有重要的价值（图）。此外，基于结构生物学，计算化学以及突变实验，他们还解析了不同选择性D-A反应酶的催化机制，证明了endo类型D-A反应酶主要是通过精氨酸443与亲二烯体形成氢键来促进D-A反应的发生；而exo类型D-A反应酶主要通过精氨酸294与亲二烯体间的cation-p相互作用来促进反应的发生。